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第五章 传感器
5.1常见传感器的工作原理及应用
高中物理选择性必修第二册
一、什么是传感器
农贸市场上，用于称重的杆秤已被更为灵敏的电子秤(如图所示)替代。电子秤受到重物的压力，内部的称重传感器就会把受到的压力大小这一信息转化为电信号，并对电信号进行处理后，显示出对应重物质量的相应数字。
像称重传感器这种能够感受到被测量的信息，并将其按照一定的规律转化为可用信号的器件或装置，称为传感器。
实际上，能够完成两种量之间变换或转换关系的器件，都符合传感器的定义范畴。与压力、速度、温度、亮度等非电学量相比，电压、电阻、电容和电感等电学量更便于电学仪表显示和用于自动控制，所以传感器通常是将非电学量转化为电学量，这是物理学中转化法的典型体现。把非电学量转化为电学量，才可能实现信息采集、处理、储存和传输的自动化与智能化，这是实现自动控制、数字化信息传输的基础。
传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，如图所示：
敏感元件
转换元件
转换电路
被测量
电学量
敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。
转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。
转换电路：将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等。
电容式话筒的关键部件是由振动膜片和固定电极组成的，相当于一个电容器。当声波信号使振动膜片振动时，振动膜片和固定电极的距离发生变化，使电容的大小也发生相应的变化，电阻两端的电压也随之发生变化。由此，话筒就把声音信号转换成了电信号。
实验中，声波是被测量，声波传到振动膜片上，振动膜片是敏感元件，振动膜片和固定电极组成的话筒是转换元件，电源、电阻组成的是转换电路，电压表测得的电压是电学量，三个部分组成了一个传感器，如图所示。
二、传感器的分类
传感器的种类繁多，涉及多个学科领域，如一辆小汽车就用上多种传感器，如图所示。
根据检测量的不同，传感器可以分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等。
物理传感器主要利用被测物理量（如压力、温度、位移、亮度等）变化时，敏感元件的电学量（如电阻、电压、电容等）发生明显变化的特性制成，如压电传感器、光电传感器、加速度传感器、温度传感器等，如图所示。物理传感器开发早、发展快、品种多、应用广，目前正向集成化、系列化和智能化方向发展。
化学传感器主要是基于化学反应的原理，将化学物质的成分、浓度等化学信息转化为电学量的传感器，如半导体气体传感器(如图所示)、湿敏传感器、离子传感器等。化学传感器广泛应用于环境监测、火灾报警、气体检测、医疗护理等领域。
如图所示：生物传感器是一种基于酶、抗体和激素等分子识别功能，并将其转换为电信号进行检测的传感器，如酶传感器、细胞传感器、免疫传感器等。生物传感器与物理传感器和化学传感器的最大区别在于感受器中含有生命物质。这类传感器在医疗血液分析、农药残留物检测、发酵工业等领域有广泛的应用。
01
光敏元件
02
热敏元件
03
力敏元件
典型例题
三、敏感元件
04
磁敏元件
01
光敏电阻
光敏元件
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。
1.光敏电阻的制作
硫化镉
光强——电阻率小
光弱——电阻率大
2.光敏电阻的特性与原理
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。
【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（）
（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
3.光敏电阻的应用
——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。
【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。
02
金属热电阻和热敏电阻
热敏元件
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。
电阻随温度的变化关系
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。
1.金属热电阻和热敏电阻性
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。
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
观察热敏电阻特性
实 验
2.观察热敏电阻特性
3.应用实例——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。
液位报警示意图
油位高→电阻大→灯不亮
油位低→电阻小→灯亮
【例题2】关于传感器，下列说法正确的是（　　）
A.金属材料不可以制成传感器
B.光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的
C.传感器主要是通过感知电阻的变化来传递信号的
D.以上说法都不正确
传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料，故A错误；光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的，故B正确，D错误；传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，不一定是通过感知电阻的变化来传递信号的，故C错误。
B
解析：
03
电阻应变片
力敏元件
①金属电阻应变片
②半导体电阻应变片
1.原理与特性
拉力→L变长→S变小→电阻变大
压力→L变短→S变大→电阻变小
金属的电阻应变效应
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，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
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。
汽车称重的地磅
【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
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
04
霍尔元件
磁敏元件
霍尔元件
洛伦兹力等于电场力：
电流微观表达式：
联立得：
令
在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极，就成了一个霍尔元件。
霍尔元件
霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
推导:
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,洛仑兹力与电场力平衡.
电流的微观表达式
★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
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、(多选)电动自行车是一种使用广泛的交通工具,其速度控制是通过转动右把手实现的,这种转动把手称为“霍尔转把”,属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等,截面如图甲。永久磁铁的左、右两侧分别为N、S极,开启电源时,在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压,形成电流,如图乙。随着转把的转动,其内部的永久磁铁也跟着转动,霍尔器件能输出控制车速的霍尔电压,已知电压与车速的关系如图丙。下列关于“霍尔转把”的说法正确的是（ 　）
A.为提高控制的灵敏度,应使永久磁铁的上、下端分别为N、S极。
B.按图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套),车速将变快。
C.图乙中从霍尔器件的前、后面输出控制车速的霍尔电压。
D.若霍尔器件的上、下面之间所加电压正、负极性对调,将影响车速控制。
甲
丙
乙
BC
【答案】BC　
【解析】若使永久磁铁的上、下端分别为N、S极,那么磁场方向与霍尔器件中电流方向基本平行,很难形成霍尔电压,所以会降低控制的灵敏度,选项A错误;按题图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套),永久磁铁靠近霍尔器件,磁场增强,霍尔电压增大,车速变快,选项B正确;由题图乙可知,磁感线从霍尔器件左、右侧面穿过,霍尔器件上、下面之间加有一定电压,则在霍尔器件的前、后面产生霍尔电压,选项C正确;若霍尔器件的上、下面之间所加电压正、负极性对调,则霍尔电压的极性也将对调,由题图丙可知,霍尔电压极性对调不影响车速控制,选项D错误。

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