高中物理 传感器(原理及典型应用) (提纲、例题、练习、解析)

传感器（原理及典型应用）【学习目标】1．知道什么是传感器，常见的传感器有哪些。

2．了解一些传感器的工作原理和实际应用。

3．了解传感器的应用模式，能够运用这一模式去理解传感器的实际运用。

4．了解传感器在生活、科技中的运用和发挥的巨大作用。

【要点梳理】要点一、传感器1．现代技术中，传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。

把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。

2．传感器原理传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。

传感器原理如下图所示。

3．传感器的分类常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的。

根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。

物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等。

化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的。

生物型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，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等。

要点二、光敏电阻光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量，一般随光照的增强电阻值减小。

要点诠释：光敏电阻是用半导体材料制成的，硫化镉在无光时，载流子（导电电荷）极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。

要点三、热敏电阻和金属热电阻1．热敏电阻热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。

如图为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线。

要点诠释：（1）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。

（2）热敏电阻器的应用十分广泛，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时器。

2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。

要点诠释：热敏电阻或金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较高。

要点四、电容式传感器霍尔元件1．电容式传感器电容器的电容C决定于极板正对面积S、板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，如果某一物理量（如角度θ、位移x、深度h等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，作这种用途的电容器称为电容式传感器。

如图甲所示是用来测定角度θ的电容式传感器。

当动片和定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况。

如图乙所示是测定液面高度h的电容式传感器。

在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中。

导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质。

液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化。

知道C的变化，就可以知道h的变化情况。

如图丙所示是测定压力，的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化。

知道C的变化，就可以知道F的变化情况。

如图丁所示是测定位移x 的电容式传感器。

随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C 发生变化。

知道C 的变化，就可以知道x 的变化情况。

2．霍尔元件（1）．如图所示，在一个很小的矩形导体（例如砷化铟）薄片上，制作四个电极E F M N 、、、，就成为一个霍尔元件。

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。

（2）．霍尔电压H IB U k d=，其中k 为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。

（3）．霍尔元件的工作原理霍尔元件是利用霍尔效应来设计的。

一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示，沿PQ 方向通入电流，，垂直于薄片加匀强磁场B ，则在MN 间会出现电势差U ，设薄片厚度为d ，PQ 方向长度为1l ，MN 方向长度为2l ，薄片中的带电粒子受到磁场力发生偏转，使N 侧电势高于M 侧，造成半导体内部出现电场。

带电粒子同时受到磁场力和电场力作用，当磁场力与电场力平衡时，MN 间电势差达到恒定，此时有2U q qvB l ==。

根据电流的微观解释I nqSv =，整理后得IB U nqd=。

令1k nq=，因为n 为材料单位体积内的带电粒子个数，q 为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以IBU k。

dU与B成正比，这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。

要点五、力传感器1．应变式力传感器（1）组成：由金属梁和应变片组成。

（2）工作原理：如图所示，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应变片，左梁的自由端施力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，下表面电阻变小。

F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化越大。

如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下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。

外力越大，输出的电压差值也就越大。

2．测定压力的电容式传感器如图所示，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，从而引起电容的变化，如果将电容器与灵敏电流表、电源串联，组成闭合电路，当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流表有示数。

要点六、声传感器的应用——话筒1．话筒的作用把声音信号转换为电信号。

2．电容式话筒（1）原理：如图所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。

当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。

（2）优点：保真度好。

3．驻极体话筒（1）极化现象：将电介质放人电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象。

（2）驻极体：某些电介质在电场中被极化后，去掉外加电场，仍然会长期保持被极化的状态，这种材料称为驻极体。

（3）原理：同电容式话筒，只是内部感受声波的是驻极体塑料薄膜。

（4）特点：体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压低。

要点七、温度传感器的应用——电熨斗1．温度传感器：由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。

2．电熨斗的构造如图所示。

3．电熨斗的自动控温原理内部装有双金属片温度传感器，如图所示，其作用是控制电路的通断。

常温下，上、下触头应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热。

温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。

注意：熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性铜片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的。

4．传感器应用的一般模式5．动圈式话筒的工作原理如图所示是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。

当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。

音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。

感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定，这个电信号经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。

【典型例题】类型一、热敏电阻的特性 例1．如图所示，1R 为定值电阻，2R 为负温度系数热敏电阻，L 为小灯泡，当温度降低时（ ）A ．1R 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【思路点拨】运用热敏电阻特性解决问题。

【答案】C【解析】本题考查了负温度系数热敏电阻的特性以及电路的动态分析。

2R 与灯L 并联后与1R 串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻2R 增大，外电路电阻增大，电流表读数变小，灯L 两端电压增大，灯泡亮度变强，1R 两端电压减小，故C 正确，其余各项均错。

【总结升华】牢记热敏电阻特性是解决此题的关键。

热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，正温度系数的热敏电阻（PTC ）的阻值随温度的升高而增大。

举一反三:【专题课堂：传感器（原理及典型应用）例2】【变式】如图是一火警报警的一部分电路示意图。

其中2R 为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a b 、之间接报警器。

当传感器2R 所在处出现火情时，显示器的电流I 、报警器两端的电压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【答案】B【解析】出现火情时温度升高，2R 减小，R 总减小， I 总增大，ab U 减小，U 并减小，A I 减小，正确答案为B 。

类型二、光敏电阻的特性例2．如图所示，1R 、2R 为定值电阻，L 为小灯泡，3R 为光敏电阻，当照射到3R 上的光强度增大时（ ）A ．电压表的示数增大B ．2R 中电流减小C ．小灯泡的功率增大D ．电路的路端电压增大【答案】ABC【解析】本题综合考查光敏电阻的特性以及电路的动态分析。

当光强度增大时，3R 阻值减小，外电路电阻随见的减小而减小，1R 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1R 两端电压增大知，2R 两端电压必减小，则2R 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。

【总结升华】牢记光敏电阻的阻值随光强度的增加而减小。

例3．（2015 南昌期中）利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B 能接收到发光元件A 发出的光，每当工件挡住A 发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示。

若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m ，则下列说法正确的是( )A ．传送带运动的速度是0.1m/sB ．传送带运动的速度是0.2m/sC ．该传送带每小时输送3600个工件D ．该传送带每小时输送7200个工件【答案】BC【解析】从乙图可以知道：每间隔1秒的时间光传感器就输出一个电信号，而在这一段时间内传送带运动了两个工件之间的距离，所以传送带运动的速度是0.2=m/s=0.2 m/s 1v ，故A 错误B 正确；传送带每小时传送的距离为：s ＝vt ＝0.2×3600m ，工件个数为：==3600s n L 个，C 正确D 错误。