传感器示范课 高考物理新宠儿——传感器

高考物理新宠儿——传感器

董书生，男, 江苏省物理学会会员，中学高级教师，大学本科，南通市骨干教师,海门市骨干教师，海门市优秀青年教师，海门市优秀教育工作者，有四十余篇论文发表于《中学物理教学参考》《物理教师》《物理通报》《中学物理教学探讨》等国家级、省级刊物，主持1项南通市级课题，参与了6项省级课题，且全部结题。开设过省级公开课，课例被北师大评为优秀课例。感谢董老师授权发布！

摘要

传感器已经广泛应用在工业环保、自动化、 化工、医疗、汽车工业、大气和海洋测量等各个领域。所以教育部制定的新课标把传感器作为选修3-2模块的三个二级主题之一，新教材为传感器专门安排一章。近几年来的高考传感器的考题频繁出现，传感器已经成为高考物理的新宠儿。

传感器是将非电学量转换成电学量的器件，传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如图所示．

02

2. 常见传感器

2．1光敏电阻

（1）光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量．

（2）光敏电阻的电阻随光照的增强而减小．

光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强．

题1： 右图为包含某逻辑电路的一个简单电路图，L为小灯泡。光照射电阻时，其阻值将变得远小于R，则下列说法正确的是 （） A．该逻辑电路是非门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L不发光

B．该逻辑电路是非门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L发光

C．该逻辑电路是与门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L不发光

D．该逻辑电路是或门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L发光

答案：B

2．2. 热敏电阻

热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显．随温度的升高而减小．

题2 ：如图所示是一火警报警器的部分电路示意图.其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器.值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器.当传感器R3所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是 （ ）

A.I变大，U变大

B.I变大，U变小

C.I变小，U变小

D.I变小，U变大

答案： C

2．3. 霍耳元件

如图所示，厚度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当恒定电流I通过导体板时，导体板的左右侧面出现电势差，这种现象称为霍耳效应．在这个矩形半导体上制作四个电极EFMN就成为一个霍耳元件，能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．

题3 ： 为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口，在垂直于上下底面方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在前后两个内侧固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U．若用Q表示污水流量（单位时间内排出的污水体积），下列说法中正确的是 （ ）

A．若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高

B．前表面的电势一定低于后表面的电势，与哪种离子多无关

C．污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大

D．污水流量Q与U成正比，与a、b无关

答案：BD

2．4、力传感器

（1）电子秤组成：由金属架和应变片组成．

（2）电子秤的工作原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定。在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大，如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出．外力越大．输出的电压差值也就越大．

题4： 如图是测量汽车质量的地磅示意图，汽车的质量可通过电流表的示数读出，下列说法正确的是 （ ）

A．电流表的示数越大说明被测汽车质量越大

B．电流表的示数越大说明被测汽车质量越小

C．地磅的最大量程只由弹簧的劲度系数决定，与电路的有关参数无关

D．把图中的电流表换成电压表同样能测量汽车的质量

答案： A

2．5、测定压力的电容式传感器

当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，从而引起电容的变化，如果将电容器与灵敏电流计、电源串联，组成闭合电路，当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大。电流计有示数，则压力F发生了变化（如图所示）。

题5： 传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示，是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么以下说法正确的是（ ）

A、当F向上压膜片电极时，电容将减小

B、若电流计有示数，则压力F发生变化

C、若电流计有向右的电流通过，则压力F在增大

D、电流计有向右的电流通过，则压力F在减小

答案：BC

传感器在各个领域的应用将越来越广泛，如在工业中，可做成高度计，工业自动控制温度传感器、湿度传感器、天气预报计、位移传感器等；在日常生活应用：人体感光开关、路灯控制器、门窗报警器、家用燃气报警器等；在医疗中应用：微型高频超声传感器 、光纤生物医学传感器等。

同步训练：

参考答案:1.B、2.A、3.A、4.BD、 5.C 、6.AD 、7.BC、 8.B

更多教学资源，请点击左下方“阅读原文”！

光电3D传感合辑重磅上线，4节课带你搞懂ToF、立体视觉、结构光及DOE

2017年iPhoneX发布，其基于结构光的FaceID方案，开启了3D传感技术在消费电子领域的应用新纪元，也进一步加速了3D传感技术的应用落地。

目前，3D成像技术主流实现路径包括立体视觉、结构光、ToF三种，并且已经在金融、手机、无人机、AR/VR、机器人、自动驾驶、安防等领域得到了广泛的应用。

双目立体视觉成本低、效率高、抗强光能力好，但在弱光条件下完全无法工作；3D结构光对于不同光线的兼容能力较好，能达到较高的分辨率，但识别距离短、运行组件成本高，在强光尤其是逆光环境下会淹没投射编码光，导致识别不准确；ToF利用红外光反射时间差来测量距离，具有识别距离远，相应时间快的特点，但是容易受到强光环境的制约，分辨率差。在实际开发中，开发者需要根据不同的应用场景和不同3D视觉技术特性，来选择适合的解决方案。

不同3D传感技术由于实现原理的差异，所需要的硬件组成也有很大不同，通常3D 传感模组由红外发射端、接收端以及图像处理芯片组成。结构光与 TOF 方案解码原理不同，但所需要核心部件基本相同。发射端主要包括VCSEL（垂直腔面发射激光器）、准直镜头WLO、光学衍射器件DOE/Diffuser等；接收端主要包括透镜、窄带滤光片、红外CIS 等组件。

根据 Yole 的预测数据，全球3D成像和传感器市场规模在 2017~2023 年的复合年均增长率（CAGR ）为 44%，2017 年市场规模为 21 亿美元，预计到2023 年，3D 传感市场规模将达到184 亿美元，发展迅猛，市场空间巨大。

为了帮助大家更好的认知3D传感核心技术，智东西公开课策划推出光电3D传感合辑，并将邀请产业链上下游企业技术大牛以视频形式，在智东西公开课直播间进行直播讲解，系统解读不同企业在光电3D传感核心技术、产品及应用等方面的创新。

首批邀请到光鉴科技首席科学家吕方璐、人加智能CEO李嘉俊、螳螂慧视产品研发总监王晨、天津驭光科技总经理朱庆峰等四位技术大牛，9月4日起将陆续开讲。其中：

9月4日，光鉴科技首席科学家吕方璐将以《如何利用多域调制技术提升iToF 3D感知性能》为主题，从不同3D感知技术原理、ToF技术的实现路径及挑战，结合光鉴科技mToF多域调制技术，为我们带来深度讲解；

9月10日，人加智能CEO李嘉俊将以《双目立体视觉感知技术及应用创新》为主题，从双目立体视觉技术原理、硬件构成、相机的选型、相机标定方法、产品化实现，及其在智能空间人流分析中的应用创新等方面进行系统讲解；

9月25日，螳螂慧视产品研发总监王晨将以《基于编码结构光的三维成像实现与应用》为主题，从结构光三维成像原理、编码结构光的主流实现方式和应用等方面为我们带来分享讲解；

9月29日，天津驭光科技总经理朱庆峰将以《衍射光学器件DOE在3D视觉感知中的重要性》为主题，从3D视觉感知不同技术路线、DOE在3D视觉方案中的应用、不同技术路线对DOE的需求差异等方面，结合驭光科技DOE相关产品进行系统讲解。

更多精彩讲解，将陆续更新。

合辑详情

第一讲

主题：如何利用多域调制技术提升iToF 3D感知性能 时间：9月4日晚7点

提纲：

1、3D视觉感知技术概览

2、ToF实现路径及技术挑战

3、基于多域调制技术的mToF详解

4、mToF技术应用创新

讲师：

吕方璐，光鉴科技首席科学家，清华大学电子工程系本科，美国加州大学伯克利分校博士。本科成绩排名前1%，获得“清华大学优秀毕业生”、“北京市优秀毕业生”、“优 秀学生干部”等荣誉称号，以及大学生物理竞赛特等奖和两次国家奖学金。博士期间发起并领导了由Intel公司赞助的科研项目，他实现的纳米激光器有望将计算机速度提高20多倍。此外，他还发明 了比普通透镜小一千倍的纳米光学微型透镜。基于这些研究成果，吕方璐发表了近30篇期刊与会议论文，三次获得国际学术会议最佳论文奖，并荣获“国家优秀自费留学生奖学金”。创立光鉴之前，在 科技咨询公司Exponent担任高级咨询师，在消费电子领域有深厚积淀。

第二讲

主题：双目立体视觉感知技术及应用创新 时间：9月10日晚7点

提纲：

1、双目立体视觉成像原理

2、相机标定与特征匹配方法详解

3、双目立体视觉实时感知技术产品化实现

4、双目立体视觉在智能空间人流分析中的应用

讲师：

李嘉俊，北京邮电大学自动化学院毕业，大学期间开始连续创业，2016年联合创立 3D 机器视觉企业人加智能并担任CEO。曾连续入选2017年福布斯中国30U30精英榜单，2019年福布斯亚洲30U30精英榜单，腾讯 AI 加速器首期毕业学员，AA加速器第六期毕业学员。荣获2018年中关村创业之星。2019年入选创业邦30位30岁以下创业新贵榜单。

第三讲

主题：基于编码结构光的三维成像实现与应用 时间：9月25日晚7点

提纲：

1、结构光三维成像原理

2、编码结构光的主流实现方式

3、编码结构光应用场景实例分享

讲师：

王晨，螳螂慧视大中华区产品研发总监，负责大中华区所有产品线的实施与本地化开发工作，并主导由中方团队独立拓展的3D创新项目。王晨先生曾作为高级技术顾问任职于IBM、SAP等世界知名科技公司，拥有超过14年相关高科技研发和IT行业信息化项目经验，并在计算机算法和人工智能领域有深刻的认识和技术积累。

第四讲

主题：衍射光学器件DOE在3D视觉感知中的重要性 时间：9月29日晚7点

提纲：

1、3D视觉感知的4种技术路线

2、衍射光学器件DOE在3D视觉方案中的作用

3、不同3D视觉感知技术路线对DOE的需求差异

4、驭光科技DOE产品特性详解

讲师：

朱庆峰，天津驭光科技有限公司总经理。拥有清华大学精密仪器系本科及硕士学位，英国Heriot-Watt管理学硕士学位。加入驭光科技前，在世界500强科技企业斯伦贝谢从事数据解释软件和算法工作及研发管理16年，拥有多项美国及欧洲发明专利。组建驭光科技北京、天津、合肥研发团队，领导3D投射模组与系统方案的研发及产品化，产品已经应用于刷脸支付、智能家居、安防、工业检测等多个领域。

适合人群

1、光学系统工程师

2、模拟电路设计工程师

3、光电3D传感企业中高层

4、3D机器视觉工程师

5、半导体、光学、光电子、物理、材料等专业学生、老师

报名方式

添加智东西公开课小助手小柯（ID：zhixixi1008）报名，添加时请备注:姓名-公司-职位或者姓名-学校-专业，因报名人数过多，优先通过备注者。

相关问答

您好,很高兴回答您这个问题。本人学习过影视后期和三维建模相关软件,希望我的回答能够帮助到您。首先说一下影视后期,影视后期的一些软件市面上很多,以下根...

相机镜头的种类有哪些?如何正确选择使用?相机镜头的种类有哪些,如何正确选择使用,单反相机镜头按着不同的分类方式可以分为以下一些种类。一,按焦距分类。...

Java是一种广泛使用的计算机编程语言,拥有跨平台、面向对象、泛型编程的特性,广泛应用于企业级Web应用开发和移动应用开发。Java可以编写桌面应用程序、Web应用...

JAVA是SUN公司推出的新一代面向对象的程序设计语言,适合于互联网+应用程序开发,它的平台无关性让它荣登世界排名第一编程语言,目前在全世界开发语言中处于垄断...

计算机科学与技术是学什么的?流行的计算机语言如C、JAVA、VB、C#、VC++、汇编等等微机原理计算机基础计算机网络基础数据结构高等数学大学英语大学...

[回答]~接下来我为大家简单介绍一下我们北方民族大学的电气信息工程学院开设的专业以及研究情况专业设置:信息工程、通信工程、自动化、测控技术与仪器、...

重量还行,定位难说,850比较全能型,风光,人像都很厉害,特别是画质感人,加上很多有用的东西,如焦距合成,曝光平滑等都非常实用户外拍摄夜空,以及一些暗调风光片,高...

[回答]~接下来我为大家简单介绍一下我们广东工业大学的自动化学院开设的专业以及研究情况专业设置:数据科学与大数据技术,自动化,电气工程及其自动化,物联...

2、未来趋势:传感器——数据服务——人工智能——社会关系——人类文明从大数据的应用方向和未来发展趋势可以看出来,在未来10年或20年社会及企业发展过程中...

[回答]~接下来我为大家简单介绍一下我们济南大学的化学化工学院开设的专业以及研究情况专业设置:化学系、应用化学、材料化学系、化学工程系、高分子材料...