第三节 传感器及其应用
1.知道什么是传感器，了解传感器的作用和功能，知道传感器在现代社会中有广泛的应用． 2.了解传感器的分类原则和方法． 3.了解几种常见传感器，如温度传感器、红外线传感器、生物传感器的工作原理及典型应用．
一、什么是传感器
1．定义：能像人的感觉器官那样感受外界信息，并能按照一定的规律和要求把这些信息转换成可用输出信息的器件或装置，就叫传感器．
2．作用：传感器的作用是将感受的非电学量(如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等)转换成电学量(如电压、电流、电荷等)输出．
人体对外界感觉可分为哪几种？
提示：视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉．
二、常用传感器
1．常用传感器的原理：利用某些物理、化学或生物学效应进行工作的．
2．从接受信息分类
3．常用传感器
(1)温度传感器，把温度的高低转变成电信号．原理：利用物体的某一物理性质随温度的变化而改变的特性制成的，例如：热敏电阻可以制成温度传感器．
图3－3－1
温度传感器的原理(图3－3－1)
其中Rt是热敏电阻器
应用的范围：空调机、电冰箱、微波炉、消毒碗柜等．
(2)红外线传感器，接收携带着信息的红外线，转换成电信号，从而得知辐射源的相关参数或信息．
应用范围：航空摄影、卫星遥感遥测、自动门、生命探测器、非接触式红外测温仪、家电遥控系统、防盗、防火报警器等．
(3)生物传感器，是利用各种生物或生物物质的特性
做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器．
应用范围：医疗卫生行业，医院中各种进行生化分析检验的仪器大多用到生物传感器．
(4)其他传感器：压力传感器、气体传感器、味觉传感器等．
一、传感器的原理及常见传感器的应用
1．关于传感器原理和人的“传感器”原理的比较：
―→―→―→―→
图3－3－2 传感器原理
图3－3－3
2．热敏电阻器的两种型号及其特性
热敏电阻器(thermistor)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，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．
热敏电阻器可按电阻温度特性、材料、结构、工作方式、工作温度和用途进行分类．
表 热敏电阻器的分类
分类方式 类别
电阻温度特性 正温度系数、负温度系数
材料 金属、半导体(单晶、多晶、陶瓷)
结构 珠状、片状、杆状、膜状
工作方式 直热式、旁热式
工作温度 常温、高温、低温
用途 测温控温、辐射能(功率)测量、稳压(稳幅)等
热敏电阻器的用途十分广泛，主要应用于：①利用电阻——温度特性来测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿；②利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护作用；③利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面、热导、真空度等；④利用热惯性作为时间延迟器．
3．常见传感器及工作原理
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 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
测速发电机 速度 电流(电压) 电磁感应
热电偶 温度 电压 热电效应
酒精气体传感器 酒精气体 电阻 化学反应引起电阻后变化
即时应用? (即时突破，小试牛刀)
1．完成下列人的感觉与传感器的关系．
答案：视觉、嗅觉、听觉、味觉、触觉
二、关于光敏电阻和热敏电阻特性的实验设计
1．实验器材
热敏电阻、多用电表、烧杯(备有冷、热水)、温度计、铁架台、光敏电阻、光电计数器、小灯泡(或门铃)、学生电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线．
2．实验步骤
(1)热敏电阻特性
图3－3－4
①如图3－3－4所示，将一热敏电阻连入电路中，用多用电表欧姆挡测其电阻，用温度计记录温度、电阻值．
②将热敏电阻放入少量冷水中并将它插入有温度计的烧杯中，记录温度、电阻值．
③再分几次向烧杯中倒入热水观察不同温度下热敏电阻的阻值．
把测量到的温度、电阻值填入下表中
待测量次数 1 2 3 4 5
t/℃
R/Ω
④在图3－3－5中，粗略描绘出热敏电阻的阻值R随t变化的R－t图线．
⑤根据实验数据和R－t图线，说明热敏电阻的阻值是否随温度变化而均匀变化？
图3－3－5 图3－3－6
(2)光敏电阻特性
①用多用电表欧姆挡两表笔与光敏电阻两端连接，测光敏电阻阻值如图3－3－6.
②用手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上，挡住部分光线，测光敏电阻阻值．
③全部挡住光线，测光敏电阻阻值．
④将所测量数据填入下表中．
光照强度 强 中 弱
R/Ω
⑤结论：________________________________________________________________________.
3．注意事项
(1)在做热敏实验时，加热水后要等一会再测其阻值，以使电阻温度与水温相同，并同时读出水温．
(2)可用图象描出电阻随温度的变化图线分析其规律．
(3)光敏实验中，如果效果不明显，可将部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少．
即时应用? (即时突破，小试牛刀)
2．金属的电阻率随温度的升高而________．用金属丝可以制作________传感器，称为________．
答案：增大 温度 热电阻
eq \a\vs4\al() 基本概念的理解
传感器感受的通常是________，如________、________、________、________、速度 、________等；而它输出的大多是________，如电压、________、________等．
[解析] 传感器就是把一些非电学量转化为电学量的装置．经过对电学量放大处理后，传送给控制系统进而产生各种控制动作．
[答案] 非电学量 压力 温度 位移 浓度 酸碱度 电学量 电流 电荷
eq \a\vs4\al() 传感器在生产中的应用
如图3－3－7所示，将万用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与受温度影响的热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间，若往Rt上擦一些酒精，表针将向________(填“左”或“右”)转动；若用吹风机向Rt吹热风，表针将向________(填“左”或“右”)转动．
图3－3－7
[思路点拨] 使用“欧姆”挡时，其刻度盘的零刻度在表盘的右侧．当在电阻表面擦酒精或吹热风时改变的是电阻的温度．
[解析] 在Rt上擦一些酒精，酒精蒸发带走热量，使Rt温度降低，其阻值增大，故欧姆表指针向左偏；当向Rt吹热风时，Rt温度升高，其阻值减小，欧姆表指针向右偏．
[答案] 左 右
如图3－3－8所示，将万用表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rg的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央，若用不透光的黑纸将Rg包裹起来，表针将向________(填“左”或“右”)转动；若用手电筒光照射Rg，表针将向____(填“左”或“右”)转动．
图3－3－8
解析：用黑纸包住，没有光照射，其阻值将增大，指针左偏；用手电筒照射时，其阻值减小，指针右偏．
答案：左 右
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7第三节 传感器及其应用
1．人的五种感觉为________、________、________、________、________．
答案：视觉 听觉 嗅觉 味觉 触觉
2．电饭煲、自动门、卫星遥感分别应用了________传感器、________传感器、________传感器．
答案：温度 红外线 红外线
3．光敏电阻(硫化镉)的电阻率与所受光照的________有关，随光照________的增大，电阻率________．
答案：强度 强度 减小
4．半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的________获得能量成为________，同时也形成更多的________，于是________明显地增强．
答案：电子 自由电子 空穴 导电性
5．目前常用的传感器有__________、__________、__________等．
答案：温度传感器 红外线传感器 生物传感器
[课时作业]
一、单项选择题
1．现代城市道路两旁的路灯是采用自动控制的，当自然光的亮度低于某个值时路灯能自动点亮，当自然光的亮度高于某个值时，路灯能自动熄灭，是因为在路灯自动控制电路中采用了下列哪种传感器( )
A．温度传感器 B．压力传感器
C．光传感器 D．声音传感器
答案：C
2．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程，下列属于这类传感器的是( )
A．红外线警报器
B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
解析：选A.红外线警报器的工作原理是：如果有人通过红外线可以察觉得到的范围，那么红外线警报器就会发出信号，并与触点接通，使灯点亮且发出警报．因此，红外线警报器的工作过程是将光信号转化为电信号，A选项正确．而B选项是将声音信号转换为电信号的过程，C选项是利用压力来传递信息的过程，D选项是通过温度来控制的过程，所以B、C、D均错．
3．随着人们生活质量的提高，自动干手机已进入家庭洗手间．当人将湿手靠近干手机时，机内的传感器便驱动电热器加热，于是有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，这是因为( )
A．改变了湿度 B．改变了温度
C．改变了磁场 D．改变了电容
答案：D
4.演示位移传感器的工作原理如图3－3－9所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆P，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x，假设电压表是理想的，则下列说法正确的是( )
图3－3－9
A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C．物体M不动时，电路中没有电流
D．物体M不动时，电压表没有示数
解析：选B.电压表为理想电表，则电压表不分流，故触头移动时不会改变电路的电阻，也就不会改变电路中的电流，故A错误；电压表测得的是触头P左侧电阻分得的电压，故示数随物体M的移动而变化，亦即随触头的运动而变，故B正确，C、D错误．
5．如图3－3－10所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化为( )
图3－3－10
A．h增大 B．h减小
C．h不变 D．无法确定
解析：选A.由题意知，导线芯和导电液体构成电容器的两极，类似于平行板电容器的两极，当液面高度发生变化时相当于两极正对面积发生变化，会引起电容的变化，与平行板电容器类比可得，导电液体深度h增大时，导线芯和导电液体正对面积增大，电容器的电容值变大．
6．下面元件不属于温度传感器应用的是( )
A．电熨斗 B．电饭锅
C．测温仪 D．鼠标器
解析：选D.除了鼠标器之外都利用了温度传感器．
7．火灾报警器使用的是( )
A．光传感器 B．温度传感器
C．红外线传感器 D．超声波传感器
解析：选B.火灾报警器利用了温度传感器，在出现火灾的时候局部温度升高，报警器报警．
8．下述仪器或装置用到传感器的是( )
①自动报警器 ②电子台秤 ③电视遥控器 ④红外线探测仪
A．①②③ B．①②④
C．②③④ D．①②③④
答案：D
二、双项选择题
9．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3－3－11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( )
图3－3－11
A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻
B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻
C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻
解析：选AC.热敏电阻的阻值随温度变化而变化，定值电阻和光敏电阻不随温度变化；光敏电阻的阻值随光照变化而变化，定值电阻和热敏电阻不随之变化．
10．如图3－3－12所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是( )
图3－3－12
A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C．信号处理系统每获得一次低电压就记数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就记数一次
解析：选AC.当光照射R1时，R1阻值减小，由分压原理可知R2两端电压增大，A正确，当有物体遮住光线时，R1阻值变大，R2分得的电压减小，所以每获得一次低压就说明为一次记录，C正确，D错误．
三、非选择题
11．如图3－3－13所示：
(1)图甲是________的电容式传感器，原理是___________________________．
(2)图乙是________的电容式传感器，原理是______________________________________．
(3)图丙是________的电容式传感器，原理是________________________________．
(4)图丁是________的电容式传感器，原理是_____________________________________．
图3－3－13
解析：(1)图甲是角度的电容式传感器，其原理是当动金属片旋进的角度不同时，电容的正对面积不同，电容的容量不同．
(2)图乙是液体的电容式传感器，其原理是导电液体相当于电容器的一个极板，当液体深度发生改变时，相当于两极板的正对面积发生改变，电容的容量也随之改变．
(3)图丙是压力的电容式传感器，其原理是当作用在一个电极的压力改变时，金属片的形变也发生改变，两极板的距离发生改变，电容的容量也发生改变．
(4)图丁是位移的电容式传感器，其原理是和物体固定在一起的电介质板，当物体发生一小段位移时，插入两极板间的电介质发生变化，导致电容的容量发生变化．
答案：见解析
12．请用仪器：热敏电阻、学生电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线等设计一个由温度控制小灯泡发亮的电路．
答案：设计图如图所示，闭合S1后，有电流通过继电器，但由于R′较大，继电器产生的磁场较弱，当将R′的温度升高，电阻减小，继电器的磁场显著增大，S2被吸下来，小灯泡发光，温度降低，磁性减弱，S2弹开、小灯泡熄灭，从而达到由温度控制灯泡的发亮与熄灭．(注：电路中继电器画的仅是一个简略图，实际并不是如此，另外，此处仅给出一种设计方案，如有其他思路与设计方案，读者自行完成)
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第三章 电磁技术与社会发展
第三节 传感器及其应用
第三章 电磁技术与社会发展
规律
可用输出信息
非电学量
电学量
化学
生物
温度
电信号
电冰箱
消毒碗柜
自动门
家电遥控系统
生物物质的特性
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
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
湿敏电阻 湿 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
测速发电机 速度 电流(电压) 电磁感应
热电偶 温度 电压 热电效应
酒精气体传
感器 酒精气体 电阻 化学反应引起电阻后变化
新知初探,自学导引
梳理知识·夯实基础
要点突破·思维启动
突破疑难·讲练提升
典题示例·讲练互动
以例说法·触类旁通
