第5章--第1、2节--揭开传感器的“面纱”--常见传感器的工作原理

1、 读教材读教材填要点填要点 一、传感器的定义及作用一、传感器的定义及作用 1定义定义 能够能够感受外界信息感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成，并将其按照一定的规律转换成 的器件或装置。的器件或装置。 2作用作用传感器在自动测量和自动控制系统中传感器在自动测量和自动控制系统中担负着信息采集和转担负着信息采集和转化任务化任务，把，把 量转化为量转化为 量。量。电信号电信号非电学非电学电学电学物理物理化学化学生物生物 二、光电传感器二、光电传感器 1定义定义 是一种能够感受是一种能够感受 ，并按照一定规律把，并按照一定规律把 转换成转换成 的器件或装置。的器件或装置。 2敏感元件敏感元件 。光

2、信号光信号光信号光信号电信号电信号光敏电阻光敏电阻 3特性特性 光敏电阻器是用金属硫化物等光敏电阻器是用金属硫化物等 材料制成的，材料制成的，当光照射到这些半导体物质上时，它的电阻率当光照射到这些半导体物质上时，它的电阻率 ，阻值也随之减小。入射光强，电阻阻值也随之减小。入射光强，电阻 ；入射光弱，电；入射光弱，电阻阻 。 4作用作用 用于用于 和和 。半导体半导体减小减小小小大大光的测量光的测量光的控制光的控制 三、温度传感器三、温度传感器 1定义定义 一种将一种将 转换为转换为 变化的装置。变化的装置。 2敏感元件敏感元件 常见的温度传感器有常见的温度传感器有 和和 等作为它等作为它的敏感

3、元件。的敏感元件。温度变化温度变化电学量电学量热敏电阻热敏电阻热电偶热电偶 3特性特性 热敏电阻是用热敏电阻是用 材料制成的，其电阻值随温度材料制成的，其电阻值随温度变化明显，变化明显，NTC热敏电阻热敏电阻(负温度系数负温度系数)的阻值，随温度升的阻值，随温度升高而高而 ，PTC热敏电阻的阻值随温度升高而热敏电阻的阻值随温度升高而 ，金属热电阻的电阻率一般随温度升高而金属热电阻的电阻率一般随温度升高而 。半导体半导体减小减小增大增大增大增大热电偶是热电偶是温度测量仪表温度测量仪表中常用的测温元件中常用的测温元件传感器传感器输入量输入量输出量输出量工作原理工作原理光电二极管光电二极管光光电压电

4、压光电效应光电效应湿敏电阻湿敏电阻湿度湿度电压电压(电阻电阻)感湿材料受湿电阻变感湿材料受湿电阻变化化话筒话筒声音声音电流电流电磁感应电磁感应加速度传感器加速度传感器加速度加速度电压电压电磁感应电磁感应酒精气体传感器酒精气体传感器酒精气体酒精气体电阻电阻化学反应后引起电阻化学反应后引起电阻变化变化一、常见传感器及其分类一、常见传感器及其分类1常见的传感器常见的传感器传感器种类繁多，具体功能各不相同，下表给出一些传感器种类繁多，具体功能各不相同，下表给出一些常见的传感器及其工作常见的传感器及其工作原理原理核心要点突破核心要点突破2传感器的分类传感器的分类(1)物理物理传感器：利用物质的传感器：利

5、用物质的物理性质和物理物理性质和物理效应感知效应感知并检测出待测对象信息的传感器主要并检测出待测对象信息的传感器主要应用于像位移、温度、速度、加速度、压力等物应用于像位移、温度、速度、加速度、压力等物理量的转化理量的转化(2)化学化学传感器：利用传感器：利用化学反应识别和检测信化学反应识别和检测信息息的传感器主要应用于环境保护、火灾报警、的传感器主要应用于环境保护、火灾报警、医疗卫生和家用电器等方面医疗卫生和家用电器等方面(3)生物生物传感器：利用传感器：利用生物化学反应识别和检生物化学反应识别和检测信息测信息的传感器与物理、化学传感器最大的区的传感器与物理、化学传感器最大的区别在于生物传感器

6、的感受器中含有生命物质别在于生物传感器的感受器中含有生命物质二、光电传感器的原理及光敏电阻二、光电传感器的原理及光敏电阻1光电传感器：是一种能够感受光电传感器：是一种能够感受光信号光信号，并按照，并按照一定规律把一定规律把光信号转换成电信号光信号转换成电信号的器件或装置的器件或装置2光敏电阻：在被光照射时电阻发生变化，可以光敏电阻：在被光照射时电阻发生变化，可以把把光照强弱转换为电阻大小光照强弱转换为电阻大小这个电学量这个电学量3半导体的导电机理：以半导体材料硅为例说明半导体的导电机理：以半导体材料硅为例说明半导体的导电机理，图半导体的导电机理，图511是硅原子排列示意图，是硅原子排列示意图，

7、每个原子的最外层有每个原子的最外层有4个电子由于热运动或其他原个电子由于热运动或其他原因，其中极少数电子可能获得较大的能量，挣脱原子因，其中极少数电子可能获得较大的能量，挣脱原子的束缚而成为自由电子这样，在原来的地方就留下的束缚而成为自由电子这样，在原来的地方就留下一个空位，称为一个空位，称为“空穴空穴”空穴相当于一个正电荷当空穴相当于一个正电荷当这个空穴由附近原子中的电子来填补时，就出现了一这个空穴由附近原子中的电子来填补时，就出现了一个新的空穴，这种变化相当于空穴在移动个新的空穴，这种变化相当于空穴在移动如果有了外电场，自由电子和空穴会向相如果有了外电场，自由电子和空穴会向相反的方向做定向

8、移动，于是在半导体中形成了反的方向做定向移动，于是在半导体中形成了电流自由电子和空穴都叫做载流子电流自由电子和空穴都叫做载流子图图5114光敏电阻的特性光敏电阻的特性当光敏电阻受到光照射时，当光敏电阻受到光照射时，会有更多的电会有更多的电子获得能量成为自由电子子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的，同时也形成更多的空穴，于是空穴，于是导电性明显地增强导电性明显地增强，电阻减小不，电阻减小不受光照射时的电阻阻值是受光照射时的受光照射时的电阻阻值是受光照射时的100倍倍1000倍倍三、温度传感器的原理及热敏电阻三、温度传感器的原理及热敏电阻1温度传感器温度传感器温度传感器是一种将温度传感器是一种

9、将温度变化转换为电学量温度变化转换为电学量变化变化的装置常见的温度传感器有热敏电阻和热的装置常见的温度传感器有热敏电阻和热电偶等电偶等2热敏电阻热敏电阻热敏电阻由热敏电阻由半导体材料半导体材料制成，当半导体材料制成，当半导体材料的温度升高时，必定接收了外界的能量，自己的的温度升高时，必定接收了外界的能量，自己的内能增加，加剧内部分子内能增加，加剧内部分子(或原子或原子)的热运动，使的热运动，使很多束缚电荷变为自由电荷，载流子增多，增强很多束缚电荷变为自由电荷，载流子增多，增强了导电性热敏电阻有温度系数大，灵敏度极了导电性热敏电阻有温度系数大，灵敏度极高，反应迅速，体积小，寿命长等优点高，反应迅

10、速，体积小，寿命长等优点3热敏电阻的两种类型热敏电阻的两种类型热敏电阻的电阻率随温度变化而明显变热敏电阻的电阻率随温度变化而明显变化，常见的有两种类型化，常见的有两种类型(1)正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻(PTC热敏电阻热敏电阻)这种热敏电阻的电阻率随温度升高而增这种热敏电阻的电阻率随温度升高而增大，大，其特性与金属热电阻相似其特性与金属热电阻相似，其电阻随温度，其电阻随温度的变化图象如图的变化图象如图512所示所示图图512图图513(2)负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻热敏电阻)这种热敏电阻的电阻率随温度升高而明显减这种热敏电阻的电阻率随温度升高而明显减小，其电

11、阻随温度的变化图象如图小，其电阻随温度的变化图象如图513所示所示4热敏电阻的用途热敏电阻的用途热敏电阻可以将温度这一非电学量的变化热敏电阻可以将温度这一非电学量的变化转化为电阻的变化，进而转化为电阻的变化，进而转化为电流或电压这转化为电流或电压这些电学量的变化些电学量的变化，理论上说，所有与温度有关，理论上说，所有与温度有关的问题都可以使用热敏电阻热敏电阻的灵敏的问题都可以使用热敏电阻热敏电阻的灵敏性好但稳定性较差，测温范围较小性好但稳定性较差，测温范围较小1热敏电阻的阻值随温度的升高其阻值有可热敏电阻的阻值随温度的升高其阻值有可能减小，也有可能增大能减小，也有可能增大2半导体热敏电阻虽然有

12、很多优点，但其测半导体热敏电阻虽然有很多优点，但其测温范围较小温范围较小3半导体热敏电阻不能用来制造标准电阻半导体热敏电阻不能用来制造标准电阻特别提醒特别提醒 试身手试身手夯基础夯基础 1为解决楼道的照明问题，在楼道内安装一个传感器与电为解决楼道的照明问题，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯灯控制电路相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为即与电源接通而发光，这种传感器为_传感器，传感器，它输入的是它输入的是_信号，经传感器转换后，输出信号，经传感器转换后，输出的是的是_信号。信号。答案：答案：声音声音电声音声音电2关于传感

13、器的下列说法正确的是关于传感器的下列说法正确的是 ()A所有传感器的材料都是由半导体材料做成的所有传感器的材料都是由半导体材料做成的B金属材料也可以制成传感器金属材料也可以制成传感器C传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D以上说法都不正确以上说法都不正确解析：解析： 半导体材料可以制成传感器，半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成其他材料也可以制成传传感器，如感器，如金属氧化物氧化锰金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以就可以制成温度计，所以A错，错，B正确正确。 传感器不但能感知电压的变化，传感器不但能感知电压的变化，还能感受还能感受力、

14、温度、力、温度、光、声、化学成分等非电学量，所以光、声、化学成分等非电学量，所以C错错。答案：答案：B图图5113. 如图如图511所示，所示，R1、R2为定值电为定值电阻，阻，L为小灯泡，为小灯泡，R3为光敏电阻，为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列说法当照射光强度增大时，下列说法错误错误的是的是 ()A电压表的示数增大电压表的示数增大BR2中电流减小中电流减小C小灯泡的功率增大小灯泡的功率增大D电路的路端电压增大电路的路端电压增大解析：解析：当光照强度增大时，光敏电阻当光照强度增大时，光敏电阻R3阻值变小，电路的阻值变小，电路的总电阻变小，回路中电流变大。总电阻变小，回路中电流变大。A：定

15、值电阻：定值电阻R1两端的电压等于两端的电压等于IR1增大；增大；B：由于：由于R1与与r的电压增大，故的电压增大，故并联电路两端的电压减小并联电路两端的电压减小，则则R2的电流减小；的电流减小；C：总电流变大，：总电流变大，R2的电流变小，所以的电流变小，所以小灯泡的电流增大小灯泡的电流增大，则其功率增大；则其功率增大；D：电流增大，电源内阻：电流增大，电源内阻r两端的电压增大，所以路端电压两端的电压增大，所以路端电压减小。减小。答案：答案：D下列说法正确的是下列说法正确的是()A凡将非电学量转化为电学量的传感凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器器都是物理传感器B湿敏传感器只能是物

16、理传感器湿敏传感器只能是物理传感器C物理传感器只能将采集到的信息转物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出化为电压输出D物理传感器利用的是物质的物理性物理传感器利用的是物质的物理性质和物理效应质和物理效应课堂互动讲练课堂互动讲练 认识传感器认识传感器【思路点拨思路点拨】根据传感器的基本原理和用途解决根据传感器的基本原理和用途解决【解析解析】各种传感器虽然工作原理不同，但基本功能相似，多数各种传感器虽然工作原理不同，但基本功能相似，多数是将非电学量转化为电学量等，是将非电学量转化为电学量等，故故A错错；湿度传感器为化学传感器，湿度传感器为化学传感器，故故B错错，传感器既可将信息转化为电压输出，

17、也可转化为电流、传感器既可将信息转化为电压输出，也可转化为电流、电阻等，电阻等，故故C错错物理传感器是利用物质的物理传感器是利用物质的物理性质和物理效应感知物理性质和物理效应感知并检并检测出待测对象信息的传感器测出待测对象信息的传感器 D正确正确【答案答案】D【规律总结规律总结】(1)传感器的基本作用传感器的基本作用都是都是把非电学量转把非电学量转换成电学量换成电学量(2)三类传感器的工作原理不同三类传感器的工作原理不同1关于物理传感器、化学传感器和生物关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的下列说法中，正确的是传感器的下列说法中，正确的是()A物理传感器利用材料的某种物理性物理传感器利用材料

18、的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业不能用质工作，因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域于化工领域B化学传感器是利用某种化学反应来化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不能工作的，因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量输出电学量C生物传感器的适用范围广，可在任生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作意温度条件下工作D生物传感器由于含有生命物质，因生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要求而对使用传感器的环境条件有一定要求解析解析：不论哪种传感器不论哪种传感器都可以都可以将非电学量转换成将非电学量转换成电学量输出，电学量输出，故故

19、B错，错，物理传感器在化工领域也可以使用，如温物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，度传感器等，故故A错错生物传感器能够使用的前提是感受器中的生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性，生命物质保持生物活性，故故C错错D对对选选D.如图如图514所示为光敏电阻所示为光敏电阻自动计数器自动计数器的示的示意图，其中意图，其中R1为光敏电阻，为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是计数器的基本工作原理是()光敏电阻的特征应用光敏电阻的特征应用图图514A当有光照射当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压时，信号处理系统获得高电压B当有光照射当

20、有光照射R1时，信号处理系统获得低电压时，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信号处理系统每获得一次高电压就计数一次【思路点拨思路点拨】当有光照射到光敏电阻时，光敏当有光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值变小，由电阻的阻值变小，由R1减小，再由电路知识即可解决减小，再由电路知识即可解决【解析解析】R1为光敏电阻，当为光敏电阻，当有光照射有光照射时，时，R1的阻值变小，的阻值变小，R2上上的电压变大，信号处理系统获得高电压的电压变大，信号处理系统获得高电压由题意知，当传送带上的物体由题意知，当传

21、送带上的物体挡住光挡住光时，信号处理系时，信号处理系统获得低电压，这种统获得低电压，这种电压高低交替变化的信号电压高低交替变化的信号转化为相应转化为相应的的数字数字，实现自动计数的功能，达到自动计数的目的，实现自动计数的功能，达到自动计数的目的故故A、C选项正确选项正确【答案答案】AC【点评点评】本题中的自动计数器具有广泛的应用，它本题中的自动计数器具有广泛的应用，它是利用光敏电阻对光的敏感特性将光照强度这个光学量转是利用光敏电阻对光的敏感特性将光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量，并将电路中的电压用信号处理系统换为电阻这个电学量，并将电路中的电压用信号处理系统识别以达到计数的目的识别以达到

22、计数的目的利用利用负温度系数负温度系数热敏电阻制作的热传感热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高的温度变化，反应快，而且精确度高(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变路中电流将变_(填填“大大”或或“小小”)热敏电阻的特性应用热敏电阻的特性应用(2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度上述电路中，我们

23、将电流表中的电流刻度换成相换成相应的温度刻度应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度如，就能直接显示出热敏电阻附近的温度如果刻度盘果刻度盘正中的温度正中的温度为为20 (如图如图516甲所示甲所示)，则，则25 的刻度应在的刻度应在20 的刻度的的刻度的_(填填“左左”或或“右右”)侧侧 图图516【解析解析】(1)因为负温度系数热敏电阻温度升高时电阻减因为负温度系数热敏电阻温度升高时电阻减小，温度降低时，电阻增大故电路中电流会减小，温度降低时，电阻增大故电路中电流会减小小(2)由由(1)的分析知，的分析知，温度越高，电流越大温度越高，电流越大，25 的刻度应对应较大电流，故在的刻度应对

24、应较大电流，故在20 对应电流刻度的对应电流刻度的右侧右侧【答案答案】(1)小小(2)右右3如图如图518所示，将多用电表的选所示，将多用电表的选择开关置于择开关置于“欧姆挡欧姆挡”，再将电表的两支表笔，再将电表的两支表笔与与负温度系数的热敏电阻负温度系数的热敏电阻RT的两端相连，这的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若往时表针恰好指在刻度盘的正中间若往RT上上擦一些酒精擦一些酒精，表针将向，表针将向_(填填“左左”或或“右右”)偏；若用吹风机将热风吹向电阻，表针偏；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向将向_(填填“左左”或或“右右”)偏偏图图518解析解析：若往：若往RT上擦一些酒精，由

25、于酒精蒸发吸上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻热，热敏电阻RT温度温度降低降低，电阻值，电阻值增大增大，指针应该，指针应该向向左偏左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻；用吹风机将热风吹向电阻，电阻RT温度升温度升高，电阻值减小，指针应该向右偏高，电阻值减小，指针应该向右偏答案答案：左右：左右磁信号 电路的通断关于干簧管，下列说法正确的是 A干簧管接入电路中相当于电阻的作用 B干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的 C干簧管接入电路中相当于开关的作用 D干簧管是作为电控元件以实现自动控制的 对传感器的理解 思路点拨：解答本题时应把握以下两点： (1)干簧管的原理是磁铁的磁效应使两个簧片磁化成相反相反的磁极 (2)干簧管在电路中起到开关的作用 解析：干簧管能感知磁场，是因为两个簧片由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个簧片被磁化，就会相互吸引，可当做开关来使用，作为控制元件以实现自动控制 答案：CDP891答：冰箱、空调的温度控制装置中装有传感器，它通答：冰箱、空调的温度控制装置中装有传感器，它通过过热敏电阻探测环境温度的变化，并使温度信号转换为电热敏电阻探测环境温度的变化，并使温度信号转换为电信号，信号，控制控制冰箱、空调电源的开和关冰箱、空调电源的开和关，从而达到控制温