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5.2常见传感器的工作原理及应用
我们知道，传感器可以感受光强、温度、力、磁等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。那么，常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？
新课导入
问题：什么是非电学量？
力、温度、光照强度、声音、化学成份、位移、速度、磁场等
问题：什么是电学量？
电阻、电流、电压或者电路的通断
把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极。
硫化镉
光强——电阻率小
光弱——电阻率大
1.光敏电阻的制作
一.光敏电阻
实 验
观察光敏电阻特性
【实验原理】光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断减小，用欧姆表连接电阻，用不同强度的光照射电阻，通过观察欧姆表的示数变化，来研究光敏电阻与光强的关系。
【实验器材】光敏电阻、多用电表、导线、电源。
2.光敏电阻的特性与原理
一.光敏电阻
【实验步骤】
（1)将光敏电阻、多用电表、按图甲的方式连接好，其中多用电表置于“×100”挡；
（2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；
（3)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。
（4）用强光照射（如太阳光直接照射或拿亮度较大的手电筒、小灯泡等）观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。
【数据处理】根据记录数据分析光敏电阻的特性。
环境 1 2 3 4 5 6 7
阻值（）
一.光敏电阻
一.光敏电阻
（1）光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的增加阻值不断减小，强光照射下电阻值很小;
【实验结论】
（2）光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
原因(工作原理)：硫化镉（CdS）是一种半导体材料，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。
作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
光学量（光照强度）
→
电学量（电阻）
材料：制作光敏电阻的材料一般为半导体。如：硫化镉。
光敏电阻工作原理：
光照增强 半导体材料中的载流子（自由电
子和空穴）浓度增加 材料的电阻率减小
——计数器、光控开关
A是发光仪器
B是接收光信号的仪器
无物品、有光照、电阻小、电压低
有物品、挡光、电阻大、电压高
这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能。
3.光敏电阻的应用
一.光敏电阻
【例题1】如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时( 　　)
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
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，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，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。
【例题2】如图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（ ）
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计数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
BD
1.金属热电阻和热敏电阻性
温度能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。
用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。
常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。
金属的电阻率随温度的升高而增大
有些半导体在温度上升时导电能力增强
用半导体材料制作热敏电阻
二、金属热电阻和热敏电阻
二.金属热电阻和热敏电阻
2.观察热敏电阻特性
二.金属热电阻和热敏电阻
实验结论：热敏电阻在温度不同时电阻发生变化。
原理： 温度低时，载流子极少，导电性能差；
随着温度的升高，载流子增多，导电性变好。
功能：金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
2.观察热敏电阻特性
当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮。
给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。
当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮。
通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。
液位报警示意图
油位高→电阻大→灯不亮
油位低→电阻小→灯亮
3.应用实例——低油位报警装置
二.金属热电阻和热敏电阻
应用：温度计，温度报警器
温度计：利用金属热电阻和热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系，可用来测量温度。
二.金属热电阻和热敏电阻
三.电阻应变片
1.电阻应变片：对受力敏感的材料制作的元件。
材料：金属、半导体
特点：金属电阻应变片的工作原
理是金属的电阻应变效应；半导
体电阻应变片的工作原理是半导
体材料的压阻效应。
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时，其电阻发生变化的现象。
压阻效应：当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。
功能：电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
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，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表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。力F越大，输出的电压差值也就越大。
电阻应变片
应变片测力原理
三.电阻应变片
拉力→L变长→S变小→电阻变大
压力→L变短→S变大→电阻变小
①金属电阻应变片
2.原理：
②半导体电阻应变片:
当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称为压阻效应。
3.应用实例——电子秤
电子秤使用的测力装置：力传感器
常见的一种力传感器：
应变式力传感器
应变片
金属梁
三.电阻应变片
3.应用实例——电子秤
金属梁
应变片
应变片
F
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，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。
应变片是把形变这个力学量转换为电压这个电学量。
三.电阻应变片
【例题3】(多选）关于电子秤中应变式力传感器说法正确的是(　 　)
A.应变片是由导体材料制成
B.当应变片的上表面拉伸时，其电阻变大，反之变小
C.传感器输出的是应变片上的电压
D.外力越大，输出的电压差值也越大
应变片多用半导体材料制成，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小，B项正确；传感器输出的是应变片上、下两表面的电压差且随外力增大，输出电压差值增大 ，原理如右图所示，D项正确。
解析：
BD
如图所示，当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化。用什么方法可以检测电容的变化？
电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
根据电容的定义式 ，可知，给电容器带上一定的电荷，然后用静电计来检测两极板间电势差的变化，就可判断电容的变化。
思考与讨论
（1）改变S：测量角度θ 、液面高度h等
定片
动片
θ
电介质
金属芯线
导电液体
角度、深度
位移、压力
电容
传感器
电容
（2）改变d：测量压力F
待测压力F
固定电极
可动电极
（3）改变ε：测量位移x
电容器极板
电介质板
被测物体
电容式位移传感器
x
角度传感器
液面深度传感器
待测压力F
固定电极
膜片电极
【例题4】(多选)传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，那么（ ）
A．当F向上压膜片电极时，电容将减小
B．当F向上压膜片电极时，电容将增大
C．若电流计有示数，则压力F发生变化
D．若电流计有示数，则压力F不发生变化
BC
霍尔元件
洛伦兹力等于电场力：
电流微观表达式：
联立得：
令
★霍尔传感器应用实例:
永久磁铁和
霍尔元件
①电动车加速器
位置→磁场→电压→控制器控制车速
②霍尔无刷电动机(直流电源)
位置→ → →
三个霍尔
传感器
三个
电压
控制器控制
三个线圈
中的电流
四.生活中的应用实例分析
恒温箱
火灾报警器
加速度计
话筒
四.生活中的应用实例分析
双金属片温度传感器
感温铁氧体温度传感器
1.光敏电阻（光传感器）
光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
2.热敏电阻和金属热电阻（ 温度传感器）
热敏电阻或金属热电阻：把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
电容式位移传感器能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。
4.电容式传感器 （位移传感器）
3.电阻应变片（力传感器）
应变片发生形变时其电阻随之发生变化，把形变这个力学量转换为电压这个电学量。
小 结
1、如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时(　　)
A.R1两端的电压增大
B.电流表的示数增大
C.小灯泡的亮度变强
D.小灯泡的亮度变弱
热敏电阻R2的阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数变小,R2与灯并联部分电阻增大，电压增大，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强.
解析：
C
牛刀小试
2、下列说法不正确的是（　　）
A.电熨斗中的双金属片是温度传感器
B.金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差
C.霍尔元件是能够把磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量的传感器
D.热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量
D
利用双金属片温度传感器，可以控制电熨斗的温度，故A与题意不符；金属热电阻由金属材料制成，其化学稳定性好，但灵敏度差，故B与题意不符；霍尔元件是能够把磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量的传感器，故C与题意不符；热敏电阻是把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，故D与题意相符。
解析：
牛刀小试
3、目前，传感器已经广泛应用于生产、生活、科学研究等各个领域，关于传感器的应用，下列说法中正确的是（　　）
A.自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器
B.走廊照明灯的声控开关、红外报警装置都是应用了声传感器
C.发光二极管是一种常用的光传感器，其作用是将光信号转换为电信号
D.霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量
A
自动洗衣机中压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器，故A正确；在天黑楼道里出现声音时，楼道里的灯才亮，说明它的控制电路中既有声音传感器，又有光传感器；但红外报警装置是应用了红外线传感器，故B错误。发光二极管不是光传感器，故C错误；霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故D错误。
解析：
牛刀小试
4.如图所示是一自动控制电路示意图，R1为光敏电阻，当照射到R1处的光消失时，电流表A中的电流I及ab间的电压U的变化情况是 (　　)
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
A
牛刀小试
牛刀小试

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