第六章 传感器
第一节 传感器及其工作原理
学习目标
- 知道什么是传感器，理解各类传感器的工作原理
- 知道光敏电阻特点及作用
- 掌握热敏电阻和金属电阻的特点及区别
- 理解霍尔元件的原理及作用
- 会用得各类元件(热敏电阻、光敏电阻、霍尔元件等)设计简单的控制电路
课本导读
- 传感器
- 干簧管结构：它只是玻璃管内封入的的两个＿＿＿＿＿＿＿制成的簧片．
作用：在电路中起到＿＿＿＿＿＿＿的作用，它是一种能够＿＿＿＿＿＿＿的传感器．
- 传感器
作用：它是能够把易感受的力、温度、光、声、化学成分等＿＿＿＿＿＿＿按照一定的规律转换为容易进行测量、传输、处理和控制的电压、电流等＿＿＿＿＿＿＿，或转换为＿＿＿＿＿＿＿的一类元件．
分类：常见的传感器有色标传感器、温度传感器、＿＿＿＿＿＿＿、电容式位移传感器、电感式位移传感器等等．
- 光敏电阻
- 构造及特点：光敏电阻是用＿＿＿＿＿＿＿制成的，硫化镉就是一种＿＿＿＿＿＿＿．
其特点是电阻率随光照强度的增大而＿＿＿＿＿＿＿，原因是：无光照射，载流子＿＿＿＿＿＿＿，导电性＿＿＿＿＿＿＿．
- 作用：光敏电阻能够把＿＿＿＿＿＿＿转化为＿＿＿＿＿＿＿．
- 热敏电阻和金属热电阻
- 热电阻：金属的电阻率随温度的升高而＿＿＿＿＿＿＿，用多金属做成的传感器称为热电阻．其特点是＿＿＿＿＿＿＿、测温范围＿＿＿＿＿＿＿，但＿＿＿＿＿＿＿较差．
- 热敏电阻：半导体材料的导电能力随温度升高而＿＿＿＿＿＿＿，电阻率随温度升高而＿＿＿＿＿＿＿，用＿＿＿＿＿＿＿做成的传感器称为热敏电阻，热敏电阻也可以用＿＿＿＿＿＿＿制成．其特点是灵敏度＿＿＿＿＿＿＿．
- 二者的作用：二者都能把＿＿＿＿＿＿＿转化为＿＿＿＿＿＿＿．
- 霍尔元件
- 构造（如图6－1－1所示）：在很小的矩形＿＿＿＿＿＿＿薄片上，制作四个电极，就成为一个霍尔元件．
- 霍尔电压：①形成过程：＿＿＿＿＿＿＿．②表达式UH=＿＿＿＿＿＿＿，式中d为，k为＿＿＿＿＿＿＿，其大小与＿＿＿＿＿＿＿有关．
- 作用：用霍尔元件能够把＿＿＿＿＿＿＿转换为＿＿＿＿＿＿＿．
典型例题
【例1】 如图6－1－2所示，将万用表的选择开关置于“欧姆档”，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻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”移动）；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”移动）．
【解析】若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应该向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减少，电流增大，指针向右偏
【答案】 左 右
【特别提示】（1）热敏电阻的阻值随温度的变化而变化．阻值随温度的升高而增大的我们称之为正温度系数热敏电阻(PTC)．阻值随温度的升高而减小的我们称之为负温度系数热敏电阻(NTC)．
（2）欧姆表的表盘刻度最右侧为0Ω，最左侧为最大值．
【例2】 如图6－1－3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
- 当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
- 当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
- 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
- 信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
【解析】当光照射到光敏电阻R1上时，R1电阻减小，电路中电流增大．R2两端电压升高，信号处理系统得到高电压，计数器每由高电压转到低电压，就计一个数，从而达到自动计数目的，由以上分析选项A、C正确．
【特别提示】光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小．
达标测试
- 下列说法正确的是
- 传感器担负着信息采集的任务
- 干簧管是一种磁传感器
- 传感器不是电视摇控接收器的主要元件
- 传感器是力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具
- 如图6－1－4为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是
- 图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
- 图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
- 图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
- 图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
- 用多用电表的同一档位测量热敏电阻和光敏电阻的阻值时，下列说法正确的是
- 测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越大
- 测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越小
- 测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越大
- 测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越小
- 利用半导体材料可制成哪些电子元件
- 热敏电阻
- 光敏电阻
- 晶体管
- 标准电阻
- 如图6－1－5所示，某半导体热敏电阻的I－U图线可能是
- 金属铂的电阻值对温度高低非常敏感，图6－1－6中可能表示金属铂电阻的U－I图线是
- 下列说法正确的是
- 金属导体的电阻率随温度增加而减小
- 半导体的电阻率随温度增加而增大
- 用半导成的热敏电阻，可以作为测温元件
- 用半导成的光敏电阻，可以起到开关的作用
- 关于热敏电阻以下说法中正确的是
- 热敏电阻的阻值随温度升高而增大
- 热敏电阻的阻值随温度升高而减小
- 热敏电阻的阻值随温度变化而均匀变化
- 热敏电阻可以用金属氧化物制作
- 一般光敏电阻的阻值随入射光强度的增加而＿＿＿＿＿．由于它对光照较敏感，所以可以作＿＿＿＿＿传感器．
- 在自动恒温装置中，某半导体材料的电阻率随温度的变化如图6－1－7所示，这种材料具有发热和控温双重功能．回答下列问题：
（1）通电后，其电功率
- 先增大后减小
- 先减小后增大
- 一直不变
- 无法确定
- 光其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在
- t1
- t2
- t1至t2的某一值上
- 大于t2的某一值上
- 按图6－1－8连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是＿＿＿＿＿；用电吹风对热敏电阻吹一会，会发现小灯泡＿＿＿＿＿，原因是＿＿＿＿＿；停止吹风，会发现＿＿＿＿＿；把热敏电阻放入冷水中会发现＿＿＿＿＿．
- 试推导霍尔电压的表达式UB＝kIN/d
拓展提高
在理解材料上讲授的常见传感器工作原理的基础上，科用知识的正迁移，会分析新的传感器的工作原理，分析它们如何实现把非电学量转换为电学量的．
- 随着生活质量的提高，自动干手机已经进入家庭．洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近自动干手机能使传感器工作，是因为
- 改变了湿度
- 改变了温度
- 改变了磁场
- 改变了电容
2．（2000年全国理综）如图6－1－9所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A’之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应，实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U＝KIB/d
式中比例系数K称为霍尔系数．
霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场．横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差．
设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：
- 达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势＿＿＿＿＿＿下侧面A′的电势（填高于、低于或等于）．
- 电子所受的洛伦兹力的大小为＿＿＿＿＿＿．
- 当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受静电力的大小为＿＿＿＿＿＿．
- 当静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系统为k=1/ne，其中n代表导体板单位体积中电子的个数．
第二节 传感器的应用（一）
学习目标
- 了解传感器应用的一般模式
- 理解应变式力传感器的应用――电子秤的工作原理
- 理解声传感器的应用――话筒的工作原理
- 理解温度传感器的应用――电熨斗的工作原理
- 会用各类传感器（力传感器、声传感器、温度传感器等）设计简单的控制电路
课本导读
- 应变式力传感器的应用――电子秤
- 应变式力传感器的构造：它是由＿＿＿＿和＿＿＿＿＿组成，应变片是一种敏感元件，多用＿＿＿＿＿制成．
- 应变式力传感器的工作原理如图6－2－1所示：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＿＿＿＿＿，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面＿＿＿＿＿，下表面＿＿＿＿＿，上表面应变片的电阻变＿＿＿＿＿，下表面的电阻变＿＿＿＿＿．F越大，弯曲形变越＿＿＿＿＿，应变片的阻值变化就越＿＿＿＿＿．如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应变片两端的电压变＿＿＿＿＿，下面应变片两端的电压变＿＿＿＿＿．因此可得，外力越大，输出的电压差值也就越＿＿＿＿＿．
- 应变力传感器的作用：它能够把＿＿＿＿＿转换成＿＿＿＿＿．
二、声传感器的应用――话筒
1．话筒的作用：话筒是一种常见的声传感器，它能把＿＿＿＿＿转换为＿＿＿＿＿．
2．动圈式话筒的构造（如图6－2－2所示）及工作原理：它主要由＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿组成．其工作原理可简述为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿．
3．电容式话筒的构造（如图6－2－3所示）及工作原理：它主要是由＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、和＿＿＿＿＿组成的一个电容器．
4．驻极体话筒的工作原理及特点：它的工作原理与电容式话筒＿＿＿＿＿，但工作电压不同，它只需＿＿＿＿＿的电压，而电容式话筒需＿＿＿＿＿的电压．它的特点有＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿．
三、温度传感器的应用――电熨斗
1．电熨斗的构造（如图6－2－4所示）：它主要由＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、弹性铜片、＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、电热丝、金属底板等几部分组成．
2．电熨斗的工作原理：常温下上下触点是＿＿＿＿＿，设定温度时，通过调节＿＿＿＿＿使弹性铜片下降，与弹性铜片相连接的上触点与＿＿＿＿＿接通，这样电路接通，电热丝发热产生热量，温度升高，可以熨烫衣物．这时双金属片也由于受热而膨胀，但因双金属片上层金属的膨胀系数＿＿＿＿＿下层金属，使双金属片向＿＿＿＿＿弯曲，上下触点脱离，电路断开．由于电路断开，电热丝不再发热，温度降低，双金属片恢复初态，电路又接通加热．不难看出，双金属片温度传感器的作用就是＿＿＿＿＿．
典型例题
【例1】 动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图甲是话筒原理图，图乙是录音机的录音、放音原理图，由图6－2－5可知
- 话筒工作时磁铁不动，线圈振动而产生感生电流
- 录音机放音时变化的磁场在静止的线圈产生感生电流
- 录音机放音线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
- 录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
【解析】话筒的工作原理是，声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流．A正确．录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场，D正确．磁带在放音时通过变化的磁场使放音头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，B正确
【答案】 ABD
【例2】 一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图6－2－6中实线①所示．由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内被动，易损坏衣物．
有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快，能自动控制温度的特点．PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示．根据图线分析：
- 为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？
- 通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T＿＿＿＿＜t＜T＿＿＿＿范围之内．（填下标数字）
【答案】（1）冷态时PTC电阻很少，电功率很大，所以升温快．（2）6 7
自我测评
- 下列说法正确的是
- 应变式力传感器可以测重力，也可以用来测牵引力
- 电子秤的核心元件是应变片，它多用金属材料制成，是一种敏感元件
- 应变片能把力学量―――物体形变转换为电学量―――电压
- 所有电子秤都应用了应变式力传感器
- 关于话筒，下列说法正确的是
- 无论动圈式话筒、电容式话筒、还是驻极体话筒，作用相同都将声波――力学量转换成了电压（或电流）――电学量
- 电容式话筒和驻极体话筒原理相同，都是声波的变化引起电容变化，进而引起输出电压的变化
- 动圈式话筒利用通电线圈在磁场中受安培力振动实现声向电的转化
- 因为驻极体话筒价格便宜、灵敏度高，会场大都用驻极体话筒
- 下列说法正确的
- 电熨斗能自动控制温度主要利用了双金属片，两片金属的膨胀系数相同
- 常温下，上下触点是分享的；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分享
- 需要较高温度熨烫时，要调节温度旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移
- 电熨斗中的双金属片是一种半导体材料
- 为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路相接．当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即被接通电源而发光，这种传感器为＿＿＿＿＿，它输入的是＿＿＿＿＿＿信号，经传感器转换后，输出的是＿＿＿＿＿信号．
- 传感器是一种采集信息的重要器件，图6－2－7是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路，当待测压力为F作用于可动膜片电极上时，以下说法中正确的
- 若F向上压膜片电极，电路中有从a和b的电流
- 若F向上压膜片电极，电路中有从b和a的电流
- 若F向上压膜片电极，电路中不会出现电流
- 若电流表有示数，则说明压力F发生变化
6．.1999年7月12日，日本原子能公司所属敦贺湾电站由于水管破裂导致国徽冷却剂外流，在检测此重大事故中应用了非电量变化（冷却剂外泄使管中液面变化）转换为电信号的自动化测量技术．如图6－2－8所示是一种测定导电液体深度的装置；包着一层电介质的金属棒与导电液体形成一个电容器，电容量的变化能反映液面的升降情况，则下列叙述中正确的是
A．电容增大反映h增大