第1节 认识传感器 第2节 常见传感器的工作原理及应用

第1节 认识传感器

第2节 常见传感器的工作原理及应用

学习目标要求

核心素养和关键能力

1.知道传感器的概念和工作原理。

2.知道光敏电阻、热敏电阻的特性和应用。

3.了解霍尔元件的原理。

4.会分析传感器在生产生活中的应用。 1.科学思维

通过对传感器工作原理的理解，体会将非电学量转化为电学量的方法。

2.关键能力

科学探究能力。

一、认识传感器

1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。

2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。

3．传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。

4．传感器应用的一般模式

【判一判】

(1)传感器可以把非电学量转换为电学量。(√)

(2)传感器可以把力学量(如形变量)转变成电学量。(√)

(3)传感器可以把热学量转变成电学量。(√)

(4)传感器可以把光学量转变成电学量。(√)

二、光敏电阻

1．特点：光照越强，电阻越小。

2．原理：无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。

3．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

三、金属热电阻和热敏电阻

1．热敏电阻：用半导体材料制成。可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻。

(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大。

(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小。

2．金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻。

【判一判】

(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱变化，光照越强电阻越小。(√)

(2)热敏电阻在温度升高时阻值变小。(×)

(3)金属热电阻在温度升高时阻值变小。(×)

(4)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低。(×)

(5)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。(√)

四、电阻应变片

1．电阻应变片的工作原理 (1)金属的电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变，导体的长度，横截面积变化从而引起电阻变化。

(2)半导体材料的压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化。

2．力传感器——电子秤

(1)组成：由金属梁和电阻应变片组成。

(2)工作原理

(3)作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。

探究1 传感器的理解

1．传感器的组成和工作流程

(1)传感器的组成

①敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。

②转换元件：将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。

③转换电路：将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等或电路的通断。

(2)传感器的工作流程

非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量

2．传感器的原理：传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。

【例1】 关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是( )

A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件

B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量

D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量

答案 C

解析 传感器工作的一般流程为：非电学量被敏感元件感知，然后通过转换元件转换成电信号，再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量，故A、B、D错误，C正确。

探究2 敏感元件的特性及应用

光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件特点对比

元件 特点

光敏

电阻 半导体材料受到的光照增强时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小

热敏

电阻

和金

属热

电阻 (1)热敏电阻：指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图线①所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。

(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图线②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器。热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。

霍尔

元件 霍尔元件两极间通入恒定的电流，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，在两极上形成稳定的电压UH＝kIBd。

【例2】 (多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度减弱时( )

A．电压表的示数增大

B．R2中电流增大

C．小灯泡的功率增大

D．电路的路端电压增大

答案 BD

解析 由图可知，L与R3串联后与R2并联，再与R1串联；当光照减弱时，光敏电阻的阻值增大，则电路中总电阻增大，总电流减小，由U＝E－Ir可知，路端电压增大，因电流减小，则R1两端的电压减小，R2两端的电压增大，R2中电流增大，则流过灯泡的电流减小，故灯泡的功率减小，故选项B、D正确。

【例3】 (2021·四川南充市川绵外国语高二期末)某同学准备用一种热敏电阻制作一只电阻温度计。他先通过实验描绘出一段该热敏电阻的I－U曲线，如图甲所示，再将该热敏电阻Rt与某一定值电阻串联接在电路中，用理想电压表与定值电阻并联，并在电压表的表盘上标注温度值，制成电阻温度计，如图乙所示。下列说法中正确的是( )

A．从图甲可知，该热敏电阻的阻值随温度的升高而增大

B．图乙中电压表的指针偏转角越大，温度越高

C．温度越高，整个电路消耗的功率越小

D．若热敏电阻的阻值随温度均匀变化，则表盘上标注温度刻度也一定是均匀的

答案 B

解析 I－U图像上的点与原点连线的斜率的倒数表示电阻，由甲图可知，I越大，电阻越小，而温度越高，则热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，选项A错误；温度越高，Rt阻值越小，热敏电阻Rt与定值电阻R串联接在电路中，电路中电流越大，R的电压越大，电压表的指针偏转角越大，因此电压表的指针偏转角越大，温度值越大，选项B正确；温度越高，电路中电流越大，由P＝IE可知，整个电路消耗的功率越大，选项C错误；若热敏电阻的阻值随温度线性变化，由闭合电路欧姆定律I＝ER＋Rt＋r，可知电路中电流I随温度是非线性变化的，由电压表的示数U＝IR可知，U随温度是非线性变化的，因此表盘标注温度刻度一定是不均匀的，选项D错误。

【针对训练1】 (2021·重庆市育才中学期中)霍尔元件是一种磁传感器，是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，霍尔元件中的载流子为负电荷。则下列说法正确的是( )

A．该元件能把电学量转化为磁学量

B．左表面的电势高于右表面

C．如果用该元件测赤道处的磁场，应保持元件上表面呈水平状态

D．如果霍尔元件中的电流大小不变，则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比

答案 D

解析 霍尔元件是把磁学量转换为电学量，A错误；由于霍尔元件中的载流子为负电荷，则负电荷的运动方向由F到E，由左手定则可知负电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B错误；如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的上表面保持水平，则无电压产生，C错误；根据qvB＝qUd得，U＝Bdv，又I＝nqSv，联立解得U＝IBdnqS，可知保持电流不变，则左、右表面的电势差与磁感应强度成正比，D正确。

探究3 力传感器和其他传感器

【例4】 有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线所示。它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表(其实质是电流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：

压力F/N 0 50

100 150

200 250 300 …

电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 …

设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68 V，则：

(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；

(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？

(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少？(取g＝10 N/kg)

答案 (1)R＝300－0.6F (2)15.6 mA (3)55 kg

解析 (1)由表中数据可归纳得出R＝300－0.6F。

(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300 Ω，电路中的电流为I1＝UR1＝4.68300 A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处。

(3)当电流表刻度盘的读数为I2＝20 mA时，压力传感器的电阻 R2＝UI2＝4.6820×10－3 Ω＝234 Ω

由R＝300－0.6F，解得F2＝110 N

再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550 N

故人的体重为m＝Gg＝55 kg。

【针对训练2】 (多选)电容式传感器是将非电信号转换为电信号的装置。由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是( )

A．甲图的传感器可以用来测量角度

B．乙图的传感器可以用来测量液面的高度

C．丙图的传感器可以用来测量压力

D．丁图的传感器只能用来测量速度

答案 ABC

1．(传感器的理解)(多选)关于传感器的作用，下列说法正确的是( )

A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制

B．传感器可以用来采集信息