第2节 常见传感器的工作原理 第3节 大显身手的传感器
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.认识光敏电阻和热敏电阻这两种敏感元件，知道其特性．(重点)
2.理解光电传感器和温度传感器的工作原理．(难点)
3.了解生活中传感器的简单应用及给人类生产、生活带来的便利.
4.了解传感器的设计思路.
常 见 传 感 器 的 工 作 原 理
1．光传感器和温度传感器
光传感器
温度传感器
定义
一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转换成电信号的器件或装置
一种将温度变化转换成电学量变化的装置
作用
将光信号转换成电信号
将温度变化转换成电学量变化
常见敏感元件
光敏电阻、光敏晶体管、光电池等
热敏电阻、热电偶等
构造
光敏电阻由金属硫化物等半导体材料制成
热敏电阻由半导体材料制成
特性
照射光强，则电阻小，照射光弱，则电阻大，其倍数可达100～1_000倍
灵敏度极高，响应非常快NTC热敏电阻(负温度系数)其阻值随温度升高而减小，PTC热敏电阻(正温度系数)其阻值随温度升高而增大
2.干簧管继电器
(1)干簧管的工作原理
干簧管可以感受外界磁场，当干簧管的两个铁质簧片处有磁场时，两簧片被磁化，在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态，磁场减弱时两簧片分开．
(2)干簧管继电器
①构造：由干簧管和绕在管外的线圈组成．
②作用：在电路中，可以根据流经线圈的电流大小控制电路的通断．
③如图5-2-1所示电路符号
图5-2-1
3．电容式传感器
电容式传感器以各种类型的电容器为传感元件，它将被测量的非电学量的变化，转化成电容量的变化．
根据改变电容的方式不同，电容式传感器可分为变间隙式、变极板面积式和变介电常数式三种．
1．热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度的感知很灵敏．(×)
2．半导体制成的热敏元件温度升高时电阻大幅度变化．(√)
3．光照越强，光敏电阻的阻值越小．(√)
光敏传感器的敏感元件一定是光敏电阻吗？
【提示】 不一定，凡是在光照条件下电学特性随之改变的都可用作光敏传感器的敏感元件．
许多办公场所楼道灯具有这样的功能：天黑时，出现声音它就开启，而在白天，即使有声音它也没有反应．
探讨1：请分析满足上述条件的控制电路中有哪些传感器？是物理传感器还是化学传感器？
【提示】 接入了两种传感器：光传感器(光敏电阻)；声传感器(通常用微型驻极体话筒)．以上两种传感器均为物理传感器．
探讨2：光敏电阻一般由什么材料组成？和电学中的一般电阻一样吗？
【提示】 光敏电阻一般由半导体材料做成，而电学中常见电阻一般由金属材料制成．
1．光敏电阻的特性
当光敏电阻受到光照射时，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，于是导电性明显地增强，电阻减小．
2．热敏电阻的两种类型
热敏电阻的电阻率随温度变化而明显变化，常见的有两种类型，图中甲为PTC型，乙为NTC型．PTC型为正温度系数热敏电阻，NTC型为负温度系数热敏电阻．
图5-2-2
3．热敏电阻的应用
(1)电熨斗
①电熨斗的构造：如图5-2-3所示．
图5-2-3
②电熨斗的自动控温原理
其内部装有双金属片温度传感器，其作用是控制电路的通断．
常温下，上、下触点是接触的，当温度过高时，由于双金属片的热膨胀系数不同，上部金属膨胀系数大，下部金属膨胀系数小，双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．
(2)电冰箱
电冰箱中的自动控制系统要获取的信息都要通过传感器转化为容易传输和处理的电信号．
电子温控的核心之一是冷藏室传感器和冷冻室传感器．它们是一种负温度系数的热敏电阻．当温度升高时，其阻值减小；当温度降低时，其阻值增加．
1．如图5-2-4所示，R1、R2为定值电阻，L为电阻丝，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列选项中不正确的是( )
图5-2-4
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．电阻丝的功率增大
D．电路的路端电压增大
【解析】 当光照强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，干路电流增大，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小；结合干路电流增大知流过电阻丝的电流必增大，则电阻丝的功率增大，故本题选项为D.
【答案】 D
2．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的，如图5-2-5甲所示，电源的电动势E＝9 V，内阻不计，G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻阻值与温度的关系如图乙所示．闭合S，当R的温度等于20 ℃时，电流表示数I1＝2 mA；当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是多少？
图5-2-5
【解析】 由乙图知，t＝20℃时，R＝4 kΩ
根据闭合电路欧姆定律I＝得
2×10－3＝.
求得Rg＝500 Ω.
又因I2＝ 即3.6×10－3＝
故R′＝2 kΩ.由乙图知t＝120 ℃.
【答案】 120 ℃
光电传感器电路的分析方法
对含光电传感器的电路一般按以下思路分析：
(1)判断电路的整体连接特点．
(2)由光敏电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化．
(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化．
(4)根据电路串并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化，进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化．
大 显 身 手 的 传 感 器
1．洗衣机的水位控制装置
全自动洗衣机的水位控制装置中使用压力传感器，当筒内水位到达设定高度时，凸起的膜片使动触点接触控制电路的静触点，使控制电路接通，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源．
2．自动门
(1)控制自动门开关的是一种红外线传感器
(2)自动门工作流程
―→―→―→
↓
3．指纹识别器
指纹识别器是通过电容传感器来识别指纹的．手指皮肤与电容传感器表面构成了电容阵列，由于指纹的凹凸导致不同位置的电容差异．
4．传感器与机器人
(1)机器人传感器的分类
机器人传感器分为外部传感器和内部传感器．
(2)传感器用途
①外部传感器用于感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激．使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉，从而使机械人具有拟人化的特点．
②内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人自身的状态．
1．洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器．(√)
2．自动门利用了红外线传感器．(√)
3．指纹识别器是利用压力传感器．(×)
压力传感器在洗衣机中实现了怎样的信号转化？其作用是什么？
【提示】 传感器的膜盒中的膜片受力大小不同，膜片凸起情况不同，当压力达到一定程度时凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路．压力传感器将压力这个力学信号转化成电路的通断，相当于电路中的开关．
在机场的出入口等公共场所快速准确地筛查体温偏高的人员，应用普通的体温计不可能完成，现在用非接触式测温仪可以很好地完成检测．
探讨1：这种测温仪利用了什么传感器？
【提示】 红外线传感器．由于物体的温度不同，发射红外线的情况不同，因此利用红外线敏感元件可以实现无接触测温．
探讨2：这种测温仪的优点是什么？
【提示】 有两大优点：(1)非接触式红外测温仪在测温时不必与被测物体表面接触．(2)可立即显示体温值．
1．洗衣机水位控制装置——压力传感器
工作原理图及结构：
图5-3-1
(1)结构：
1是洗衣机的外筒，2是洗衣机的内筒，3是气室，4是传感器的膜盒．
(2)工作原理：
如图(a)所示，气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器的膜盒连通．当向桶内注水后，有一部分水进入气室，气室内被密封的空气压强增大，使传感器的膜盒中的膜片受力向上凸起，如图(b)所示，当筒中水位达到设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，洗衣机开始工作．
2．自动门——红外线传感器
(1)工作原理
当有人接近自动门时，人体发出的红外线被传感器接收到，就会产生电压输出信号，信号经过电路处理后，使定时器工作，由定时器构成的电路使继电器通电，自动门电动机转动，门自动打开；当人通过自动门几秒后，定时器又使继电器断电，自动门电动机反转，门自动关闭．
(2)工作流程图
3．指纹识别器——电容传感器
工作原理：指纹识别器是通过电容器来识别指纹的．传感器表面集合了很多个电容器的极板，其外面是绝缘表面，当用户的手指放在绝缘表面上时，手指的皮肤就成了电容器的另一个极板，由于指纹的脊和谷相对于另一个极板的距离不同，使电容阵列不同位置的电容器的电容值也不同．通过读取这些电容的差异，就能够获取指纹信息．这样就把指纹的信息转化成了电信号，再经过电路对电信号的比较，就可以实现对指纹的识别．
4．机器人与传感器
(1)机器人：
①定义：是一种拟人化的电子机械装置，具有一定的运动、感觉和判断功能．
②组成：机械系统、传感器系统、信息处理和控制系统．
(2)传感器系统
①作用：机器人的感觉器官．
②分类：外部传感器和内部传感器．
3．电子秤使用的传感器是( )
A．超声波传感器 B．温度传感器
C．压力传感器 D．红外线传感器
【解析】 电子秤通过感知物体对它的压力，将其转换为电信号，并由仪表显示，来测量物体质量，所以它感知的是压力，使用了压力传感器，故C选项正确．
【答案】 C
4．在发生地震及泥石流灾害时，救援队借助“生命探测仪”可以发现深埋在废墟中的伤员，根据所学知识，你认为“生命探测仪”可能用到了( )
A．红外线传感器 B．压力传感器
C．振动传感器 D．电容传感器
【解析】 伤员被深埋在废墟中，借助红外线传感器，可以感知人与周围环境的差别，因伤员与尸体的温度不同，借助探测仪可以探测到活着的被困人员．A正确．
【答案】 A
5．(2016·大同期末)传感器是把非电学物理量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件．如图5-3-2所示为一种电容传感器，电路可将声音信号转化为电信号．电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜．若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中( )
图5-3-2
A．a、b板之间的电场强度不变
B．a、b板所带的电荷量不变
C．电路中始终有方向不变的电流
D．向右位移最大时，电容器的电容最大
【解析】 a、b始终跟电源相连，电势差U不变，由于a、b间距离变化，由E＝知场强变化，A错误．由C＝知d变化时C变化，a向右位移最大时，电容最大，D正确．由Q＝CU知a、b所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B、C错误．
【答案】 D
压力传感器
1．常见压力传感器的敏感元件是金属应变片和半导体力敏电阻．
2．半导体力敏电阻的阻值随压力的增大而减小，常将力敏电阻与电流计串联起来，压力变化，力敏电阻变化，电流变化，把力学量转换成电学量．
第2讲 常见传感器的工作原理
第3讲 大显身手的传感器
[目标定位] 1.认识光敏电阻和热敏电阻这两种敏感元件，知道其特性.2.理解光电传感器和温度传感器的工作原理.3.了解传感器的设计思路，了解生活中传感器的简单应用及给人类生产、生活带来的便利．
一、光电传感器的原理
1．光电传感器是一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转换成电信号的器件或装置．
2．光敏电阻在被光照射时，它的电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻这个电学量．
3．光敏电阻的阻值随光照的增强而减小．
4．常见的光电传感器：光敏电阻、光敏晶体管、光电二极管、光电三极管、光电池等，它们都是利用某些物质在光照射下电学特性随之变化的性质制成的．
二、探究温度传感器的原理
1．温度传感器
温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置．常见的温度传感器有热敏电阻和热电偶等．
2．热敏电阻
热敏电阻利用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显．
3．热敏电阻器的两种型号及其特性
热敏电阻是电阻值随温度变化而变化的敏感元件．在工作温度范围内，电阻值随温度的升高而增大的是正温度
系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度的升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻．
三、传感器在生产、生活中的应用举例
1．洗衣机水位控制装置——压力传感器如图1所示，筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，开始洗涤衣物．
图1
2．自动门的开关——红外线传感器
接收人体发出的红外线，产生电压输出信号．
3．指纹识别器——电容式传感器
获取指纹信息，转换成电信号．
4．机器人中的传感器
分类
一、光电传感器原理
1．光敏电阻的特点：阻值随光照强度的增大而减小．
2．光敏电阻的机理：光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照而温度升高时，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，导电性能变好，电阻变小．
例1 如图2所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时( )
图2
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压增大
答案 ABC
解析 当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C项正确．
二、探究温度传感的原理
1．热敏电阻
(1)特点：热敏电阻的阻值大小与温度的高低有关．温度变化，阻值有明显变化．
(2)分类：由半导体材料制成，其导电性能对温度的变化很敏感，热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻．
①正温度系数的热敏材料(PTC)，它的电阻随温度上升而增大．
②负温度系数的热敏材料(NTC)，它的电阻随温度的上升而减小．
③临界温度系数的热敏材料(CTC)，它的电阻在很小的温度范围(临界)内急剧减小．
2．金属热电阻
特点：电阻率随温度的升高而增大．
例2 如图3所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图．现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是( )
图3
A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显
B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显
C．如果R为NTC热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变小，读数变化非常明显
D．如果R为NTC热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变小，读数变化不明显
答案 C
解析 若为金属热电阻，温度升高后，电阻变大，读数变化不明显，A、B错．若为热敏电阻，读数将明显变化，C对，D错．
例3 关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法中正确的是( )
A．光敏电阻是用半导体材料制成的，其阻值随光照增强而减小，随光照的减弱而增大
B．光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器
C．热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度感知很灵敏
D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器
答案 A
解析 光敏电阻是把光照强度转换为电阻的元件；热敏电阻是把温度转换为电阻的元件，故B、D错误；热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的，半导体具有光敏性和热敏性，金属铂与热敏电阻相反，故C错误．
三、自动控制电路的分析与设计
例4 如图4所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈，P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱．电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，其工作方式是( )
图4
A．A与B接信号电压，C与D跟被控电路串联
B．A与B接信号电压，C与D跟被控电路并联
C．C与D接信号电压，A与B跟被控电路串联
D．C与D接信号电压，A与B跟被控电路并联
答案 A
解析 由图可知A、B是电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或排斥，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用，故正确答案为A.
光传感器的应用
1．如图5所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是( )
图5
A．严重污染时，LDR是高电阻
B．轻度污染时，LDR是高电阻
C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定
D．该仪器的使用不会因为白天和晚上受到影响
答案 A
解析 严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D错．
温度传感器的应用
2．如图6所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡的亮度变化是________，发生这一现象的主要原因是( )
图6
A．小灯泡的电阻发生了变化
B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D．电源的电压随温度发生了变化
答案 变暗 C
解析 电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，电路中电流减小，根据P＝I2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗．
自动控制电路的分析与设计
3．如图7所示为一自动控制温度的电路图，请说明其工作原理．
图7
答案 见解析
解析 当开关P在弹簧拉力作用下拉到上面与a接触时，电热丝工作；随着温度升高，热敏电阻温度升高，阻值减小，通过电磁铁的电流增大，电磁铁磁性增强到一定程度时把P吸到b，电热丝停止工作，指示灯亮.
课件39张PPT。知识点一知识点二学业分层测评常 见 传 感 器 的 工 作 原 理光信号电信号温度变化光敏电阻光电池热电偶半导体半导体强100～1000极高升高线圈通断电容量极板面积介电常数大 显 身 手 的 传 感 器压力关闭接通电容电容阵列延时电路 内部工作环境刺激听觉关节传感器
