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5.1常见传感器及其工作原理
手靠近自动干手器，可以自动出现热风
利用酒精浓度仪查酒驾
朝自动门走过去， 大门就会自动打开。
有声音时，声控灯会自动亮起。
1、初识传感器
传感器
仅依靠听觉判断是难以把握西瓜的成熟程度的。能否用测量仪器来代替人耳，准确地判断西瓜的成熟程度呢
辨别西瓜的成熟程度
计算机
敲击西瓜
麦克风将接收到的声音信号转化为电信号
麦克风
西瓜
计算机
显示信号波形
当我们把重物放在电子秤上时， 称重传感器受到压力， 并将受到压力大小的信息转化为电信号。通过对电信号的处理，电子秤就能用数字显示出物体的质量了
称量物体
传感器：能感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成可用输出信号（主要是电信号）的器件或装置。
非电学量→传感器→电学量
角度
位移
速度
压力
温度
湿度
声强
光照
传感器
电压
电流
电阻
电容
传感器通常应用在自动测量和自动控制系统中，担负着信息采集和转化任务。
在计算机电源内部，应用热传感器（热敏电阻）把探测到的温度信号转化为电信号，通过对电信号的处理，能自动控制散热风扇的转速，保持电源内部温度均衡。
监测火警的烟雾传感器在烟雾浓度达到一定程度时，能输出电信号，使警铃发声或使红灯闪烁，自动报警。
传感器主要由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件直接感受被测的量，并输出与被测的量有确定关系的信号。
转换元件将敏感元件输出的物理信号转换为便于显示、记录、处理和控制的电信号。
2、敏感元件
（1）光敏元件
（1）将光敏电阻与欧姆表按图 5-6 连成电路。
（2）将光敏电阻受光面置于有光线照射的地方，观察欧姆表的读数，记录光敏电阻的阻值。
（3）用黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，移动黑纸片，使光敏电阻接收到的光线出现稍暗、较暗、最暗几种情况，观察这几种情况下光敏电阻阻值的变化，并把相应的阻值记录下来。
当光照由强变弱时，光敏电阻的阻值如何变化？
观察光敏电阻的特性
敏感元件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、压敏等）制成的。
光敏电阻是用金属硫化物等半导体材料制成的。当光照射到这些半导体物质上时，会激发半导体内部受束缚的电子，其电阻值就会发生改变。光照越强，被激发的电子数就越多，电阻值就越小。不受光照射时，其电阻值是受光照射时的 100 ～ 1 000倍。
光敏二极管、光电池等光敏元件是利用某些物质在光照射下电学特性随之变化的特性制成的。
一种简易水污染监测器
用光敏电阻制成的光敏传感器有许多用处。例如，一种简易的监测水中悬浮颗粒污染程度的监测器就利用了光敏电阻的特点。被污染的水中常含有悬浮的颗粒，它们会影响光的通过。当光穿过水照到光敏电阻上时，到达光敏电阻的光量与水的污染程度有关。当水污染严重时，光敏电阻受光量很小，电阻很大，指示灯不亮；当水污染不严重时，光敏电阻的受光量大，电阻小，指示灯变亮。
计数器
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。
（2）热敏元件
热敏电阻的热敏特性
如图所示，将NTC 热敏电阻及温度计放入盛有热水的烧杯中。用多用电表测量热敏电阻的阻值，同时用温度计测出水温。倒入少许冷水，改变烧杯中水的温度，再次测量电阻值与水温。热敏电阻的阻值随温度怎样变化？
热敏电阻
NTC 热敏电阻（负温度系数热敏电阻）：阻值随温度的升高而减小。
PTC 热敏电阻（正温度系数热敏电阻）：阻值随温度的升高而升高。
热敏电阻是一种灵敏度极高的温度传感器， 在测温过程中响应非常快。
电子温度计、电脑、电冰箱、空调等家用电器的温度传感器也是使用的也主要是热敏电阻。
热敏元件是利用半导体的电阻会随温度的变化而改变的特性制成的。
金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，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。
热敏电阻：有些半导体在温度上升时导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。
说明：与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
低油位报警装置
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。
（3）磁敏元件
霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件， 广泛应用于磁传感器中。
在其垂直方向施加磁感应强度为 B 的勻强磁场，将在垂直于电流和磁场的方向上产生电势差为UH 的霍尔电压
载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差.当达到稳定状态时
与材料有关
霍尔元件厚度
对给定的霍尔元件，当电流I固定时，UH完全取决于磁感应强度 B。因此，霍尔元件可将磁感应强度的测量转化为电压的测量。用霍尔元件制成的磁传感器可直接测量磁场的磁感应强度， 还可通过测量电流周围的磁场间接测量电流的大小。
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。
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。
（4）电容式传感器
（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
B
5.2科学制作：
简单的自动控制装置
一、实验目的
1．设计并制作光报警装置。
2．设计并制作温度报警装置。
3．了解制作的报警装置的工作原理。
二、实验器材
光敏电阻、热敏电阻、温度计、干电池、手电筒、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。
二、实验器材
1、光报警装置
光敏电阻在光照时电阻减小。光照强度越强，阻值越小。当光敏电阻阻值减小时，电路中的电流变大，蜂鸣器开始工作，达到报警的目的。
2、温度报警装置
热敏电阻（NTC热敏电阻）在温度升高时电阻减小。温度越高，阻值越小。当热敏电阻阻值减小时，电路中的电流变大，蜂鸣器开始工作，达到报警的目的。
1．光报警装置实验步骤
(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。
(2)检查各元件的连接，确保无误。
(3)接通电源，调节滑动变阻器，使蜂鸣器在普通光照条件下不报警。
(4)保持变阻器阻值不变，将手电筒打开并逐渐向光敏电阻靠近，观察蜂鸣器的报警情况。
(5)规定光照亮度的变化由手电筒与光敏电阻之间的距离来定。如25cm的距离，由大到小调节变阻器，使蜂鸣器报警，记录变阻器的阻值和距离，然后改变距离，重复以上操作。
四、实验步骤
2．温度报警装置实验步骤
(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。
(2)检查各元件的连接，确保无误。
(3)接通电源，调节滑动变阻器，使蜂鸣器在常温下不报警。
(4)保持变阻器阻值不变，将热敏电阻和温度计放入盛有水的烧杯中，逐渐向烧杯中注入热水，观察蜂鸣器的报警情况。
(5)常温下，由大到小调节变阻器，使蜂鸣器报警，记录变阻器的阻值和温度，然后依次加入热水，重复以上操作。
四、实验步骤
五、实验数据记录
组次 项目　 1 2 3 4 5 6
距离/cm
电阻/Ω
组次 项目　 1 2 3 4 5 6
温度/℃
电阻/Ω
六、实验结论
⑴光报警装置，滑动变阻器的阻值越大，蜂鸣器报警，需要光照越强。
⑵温度报警装置，滑动变阻器的阻值越大，蜂鸣器报警，需要温度越高。
2.电磁继电器在各种自动化装置中有很多应用，街道路灯自动控制就是其应用之一。模拟电路如图所示，其中 A 为电磁继电器，B 为照明电路，C 为路灯， D 为光敏电阻（白天光照强时，电阻变小；夜晚光照弱时，电阻变得很大）。请将电路连接完整，达到白天灯熄、夜晚灯亮的效果。（连线时导线不能交叉）
3. 某同学为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压与受压面的压力 成正比（比例系数为 k），如图所示。测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压 为零；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压 U。
（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使调节范围尽可能大，在虚线框中 画出完整的测量电路图；
（2）简要说明测量步骤，求出比例系数 k，并测出待测物体的质量 m。
4.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着温度变 化的特性来工作的。如图（a）所示，电源的电动势 E = 9.0 V，内阻不计；G 为灵敏电流计，内 阻 Rg 保持不变；RT 为热敏电阻，其电阻阻值与温度的变化关系如图（b）所示。闭合开关 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？
5. 电饭锅的电路图如图所示。 S1 是一个温控开关，手动闭合后， 当此开关温度达到 103℃时，会自动断开。 S2 是一个自动温 控开关，当温度低于 70℃时，会自动闭合；温度高于 80℃ 时，会自动断开。红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的 指示灯，定值电阻 R1 = R2 = 500 Ω，加热电阻丝 R3 = 50 Ω，两 灯电阻不计。
（1）分析电饭锅的工作原理；
（2）计算加热和保温两种状态下，电饭锅消耗的电功率之比。
谢谢！

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