第一节 认识传感器
第二节 传感器的原理
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解传感器的概念，知道非电学量转换成电学量的技术意义．(重点)
2．了解传感器的基本结构及各部分的作用．
3．知道光敏电阻、热敏电阻的工作原理，感悟基础知识学习和应用的重要性．(重点)
4．通过实验观察和分析，了解传感器的工作原理．(难点)
传 感 器 及 其 分 类
1．定义：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成电信号的器件或装置．
2．传感器的组成：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成．
(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：是传感器中能将敏感元件输出的、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：是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．
3．传感器的分类
(1)按被测量分类：加速度传感器、速度传感器、压力传感器、温度传感器、负荷传感器、扭矩传感器等．
(2)按工作原理分类：电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、涡流式传感器、动圈式传感器、磁电式传感器、差动变压器式传感器等．
(3)按能量传递方式分类：有源传感器和无源传感器．
1．传感器是一种联络传递感性的设备．(×)
2．传感器是一种感知、探测物理量的工具．(×)
3．传感器是将被测量的非电学量转换成电学量的器件或装置．(√)
在家庭生活中，人们不必直接接触就可以控制一些机器，试举一些生活中的例子，看哪些生活用品是通过传感器来完成的．
【提示】 电视机及空调机的遥控器、电冰箱、自动干手机、自动水龙头、楼道内的声控灯等．
有自动控制功能的蔬菜大棚，要靠传感器感知作物生长所需的各种信息．如图3-1-1所示为蔬菜大棚内信息采集与自动控制示意图．试结合图中信息，分析讨论：
图3-1-1
探讨1：在蔬菜种植大棚中要用到哪些传感器？
【提示】 需要五种传感器：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏传感器、温敏传感器．
探讨2：这些传感器的作用是什么？
【提示】 光传感器测光照强度，湿度传感器测空气湿度，温度传感器测空气温度，气敏传感器测二氧化碳浓度，温敏传感器测土壤温度．
1．传感器的工作流程
→→→→
2．几种常用传感器对比
传感器名称
输入(感受)的物
理量或化学量
输出的物理量
可能的工作原理
气体压强传感器
压强
电压(电流)
力电转换
硅光电池
光
电压
光电效应
光电二极管
光
电压
光电效应
湿敏电阻
湿度
电压(电阻)
感湿材料受湿电阻变化
话筒
声音
电流
电磁感应
加速度传感器
加速度
电压
电磁感应
1．传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量，其工作过程可能是( )
A．将力学量(如形变量)转换成磁学量
B．将电学量转换成热学量
C．将光学量转换成电学量
D．将电学量转换成力学量
【解析】 传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量或转换为控制电路的通断的一类元件；故只有C项正确．
【答案】 C
2．(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
C．传感器可以将感受到的一些信息转换为电学量
D．传感器可以将所有感受到的信息都转换为电学量
【解析】 传感器的作用主要是用来采集信息并将采集到的信息转换成便于测量的量；但并不是将其感受到的所有信息都转换为电学量．故B、C正确．
【答案】 BC
3．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
【解析】 传感器工作的一般流程为非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量，因此A、B、D错，C对．
【答案】 C
1．不同的传感器的工作原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化．
2．传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不一定是电压．
3．敏感元件只是传感器的一个关键部分，并不一定就是一个完整的传感器．
传 感 器 的 原 理
1．温度传感器的原理
(1)温度传感器：将温度变化转换为电学量变化的装置，它通过测量传感器元件的电学量随温度变化来实现对温度的测量．
(2)热敏电阻：利用半导体材料的阻值随温度变化而变化的特性实现温度测量的，其电阻大小与温度高低有关，温度变化，电阻有明显变化．
2．光电传感器的原理
(1)光电传感器：将光学量变化转化为电学量变化的装置．
(2)应用：路灯光电自动开关电路和红外楼道照明开关电路．
(3)光敏电阻：光电传感器的敏感元件其阻值随光照的增强而减小．
1．光敏电阻受到的光照越强，电阻越小．(√)
2．非接触式测温仪不用直接接触就能感知人的体温，是应用了光敏电阻作为敏感元件．(×)
3．热敏电阻一定是随温度的升高其阻值增大．(×)
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】 接入了光传感器(光敏电阻)和声传感器(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．光电传感器——光敏电阻
光敏电阻一般为半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，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．
光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小．
2．温度传感器：热敏电阻和金属电阻
(1)热敏电阻
指用半导体材料制成，其电阻值随温度变化发生明显变化的电阻．如图3-1-2所示为某热敏电阻的电阻——温度特性曲线．
图3-1-2
热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻，正温度系数的热敏电阻随温度升高，电阻增大；负温度系数的热敏电阻随温度升高，电阻减小．
(2)金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为金属热电阻．
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．
4．(多选)用多用电表的同一挡位测量热敏电阻和光敏电阻的阻值时，下列说法正确的是( )
A．测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越大
B．测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越小
C．测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越大
D．测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越小
【解析】 根据热敏电阻的特点，温度越高电阻越小，多用表指针偏角越大，A对，B错；由光敏电阻的特点，光照越弱，电阻越大，偏角越小，C错，D对．
【答案】 AD
5．如图3-1-3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3-1-3
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
6．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3-1-4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3-1-4
【解析】 由乙图知，t＝20 ℃时，R＝4 kΩ
根据闭合电路欧姆定律I＝代入数据得
Rg＝－R＝500 Ω
又因I2＝，即3.6×10－3＝
故R′＝2 kΩ.由乙图知t＝120 ℃.
【答案】 120 ℃
电路中涉及热敏电阻、光敏电阻或金属热电阻时，熟记各种电阻阻值随温度变化的特点，然后依据动态电路问题的分析思路，由部分到整体再到部分进行分析.
课件17张PPT。
目标导航预习导引目标导航预习导引一二三一、传感器的概念
1.传感器:测量和探索自然界各种参数的检测元件.
2.传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成.目标导航预习导引一二三二、传感器的分类
1.按被测量分类:加速度传感器、速度传感器、位移传感器、压力传感器、温度传感器、负荷传感器、扭矩传感器等.
2.按工作原理分类:电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器等.
3.按能量传递方式分类:有源传感器和无源传感器两大类.目标导航预习导引一二三三、两种重要的传感器
1.温度传感器:一种将温度变化转换成电学量变化的装置.热敏电阻是利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性实现温度测量的,它就像人的皮肤,能感受到周围温度的变化.
2.光电传感器:一种将光学量转换成电学量的传感器,就是物体在光照作用下其导电性能发生变化,如光敏电阻等,它就像人的眼睛,可以看到光线的强弱.
在日常生活中,人们不必直接接触,就可以控制一些机器,试举一些生活中的例子,看哪些生活用品是通过传感器来完成的.
答案：红外线遥控器、楼道内的声控灯、自动门、自动干手机等.知识精要典题例解迁移应用一二一、如何理解传感器的作用
1.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,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.传感器组成图如下图所示.
传感器将非电学量转换成的电学量有两类:一类是模拟量,如电阻、电压、电流等,便于计量,光敏电阻就属于这一类;另一类是开关量,如电路的通与断,便于实现控制的功能,干簧管就属于这一类.
2.把非电学量转换为电学量后,就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制.一二知识精要典题例解迁移应用【例1】如图是一火警报警装置的一部分电路示意图,其中R2是半导体热敏传感器,它的电阻随温度升高而减小,a、b接报警器.当传感器R2所在处出现火情时,电流表的电流I和a、b两端电压U与出现火情前相比( )
A.I变大,U变大
B.I变小,U变小
C.I变小,U变大
D.I变大,U变小一二知识精要典题例解迁移应用点拨：抓住半导体热敏特性即电阻随温度升高而减小,接下来则用电路动态变化的分析思路,按局部→整体→局部进行.
解析：当传感器R2所在处出现火情时,温度升高,R2电阻减小,电路的总电阻减小,总电流I总增大,路端电压U=E-Ir减小,I总(r+R1)增大,U并=E-I总(r+R1)减小,通过R3的电流I3减小,通过R2的电流I=I总-I3增大,D项对.
答案：D一二知识精要典题例解迁移应用许多楼道照明灯具有这样的功能: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,它的控制电路中可能接入的传感器是( )
①温度传感器 ②光传感器 ③声音传感器 ④热传感器
A.①② B.②③
C.③④ D.②④
答案：B
解析：能感知声音和光照情况,说明电路中接入了光传感器和声音传感器,故选项B正确.一二知识精要典题例解迁移应用二、传感器的工作原理
1.光敏电阻
制成光敏电阻的材料一般是半导体,导电能力取决于载流子数目的多少.当光敏电阻受到光照时,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,电阻率明显变小.光敏电阻的电阻随光照的增强而减小,光照愈强,阻值就愈低.当光敏电阻两端加上电压后,流过光敏电阻的电流随光照增强而增大.入射光消失,电阻也逐渐恢复原值,电流也逐渐减小.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.一二知识精要典题例解迁移应用2.热敏电阻和金属热电阻
(1)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.如图为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线.
在工作温度范围内,电阻值随温度上升而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻;电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻.
(2)金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的金属也可以制作温度传感器,称为金属热电阻.一二知识精要典题例解迁移应用【例2】(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法中正确的是( )
A.置入热水中与不置入热水中相比,
欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,
欧姆表示数不变化的一定是定值电阻
C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,
欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,
欧姆表示数相同的一定是定值电阻一二知识精要典题例解迁移应用解析：此题考查了热敏电阻、光敏电阻、定值电阻的特性.热敏电阻的阻值随温度变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度变化;光敏电阻的阻值随光照变化而变化,定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照变化而变化.
答案：AC一二知识精要典题例解迁移应用如图所示,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,D为发光二极管(电流越大,发光越强),且R与D距离不变,P为滑动变阻器触头,下列说法中正确的是( )
A.当滑动触头向左移动时,L消耗的功率增大
B.当滑动触头向左移动时,L消耗的功率减小
C.当滑动触头向右移动时,L消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动滑动触头,L消耗的功率不变一二知识精要典题例解迁移应用答案：A
解析：电源电压恒定,也就是说,并联电路两端的电压恒定,当滑动触头向左移动时,发光二极管发光变强,光敏电阻的电阻变小,所以电流变大,则L的功率变大,应选A项.
