第一节　传感器及其工作原理

[核心素养·明目标]

知识点一　传感器及其分类

1．定义：能感受被测量的信息，并按照一定的规律转换成电信号的器件或装置。

2．传感器的组成：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。

(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，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、力敏、湿敏等)制成的。

(2)转换元件：是传感器中能将敏感元件输出的、与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。

(3)转换电路：是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、频率等。

3．传感器的分类

(1)按被测量分类：加速度传感器、速度传感器、压力传感器、温度传感器、负荷传感器、扭矩传感器等。

(2)按工作原理分类：电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、涡流式传感器、动圈式传感器、磁电式传感器、差动变压器式传感器等。

(3)按能量传递方式分类：有源传感器和无源传感器。

知识点二　传感器的原理

1．温度传感器的原理

(1)温度传感器：将温度变化转换为电学量变化的装置，它通过测量传感器元件的电学量随温度变化来实现对温度的测量。

(2)热敏电阻：利用半导体材料的阻值随温度变化而变化的特性实现温度的测量，其电阻大小与温度高低有关，温度变化，电阻有明显变化。

2．光电传感器的原理

(1)光电传感器：将光学量变化转化为电学量变化的装置。

(2)光敏电阻：光电传感器的敏感元件，其阻值随光照的增强而减小。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)传感器是一种联络传递感性的设备。 (×)

(2)传感器是一种感知、探测物理量的工具。 (×)

(3)传感器是将被测量的非电学量转换成电学量的器件或装置。

  (√)

(4)光敏电阻受到的光照越强，电阻越小。 (√)

(5)热敏电阻一定是随温度的升高，其阻值增大。 (×)

2．关于传感器，下列说法不正确的是(　　)

A．传感器通常是将非电学量转化为电学量的装置

B．压力传感器是将力学量转化为电学量的装置

C．所有传感器都是由半导体材料制成的

D．传感器广泛应用于信息采集系统

C　[传感器通常是通过非电学量转换成电学量来传递信息的，A正确；压力传感器是将力学量转化为电学量的装置，B正确；用来制作传感器的材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，传感器广泛应用于信息采集系统，故C错误，D正确。]

3．(多选)美国科学家Willard S．Boyle与George E．Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖。CCD是将光学量转变成电学量的传感器。下列器件可作为传感器的有(　　)

A．发光二极管   B．热敏电阻

C．霍尔元件   D．干电池

BC　[传感器是指能够感受诸如力、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、电流等电学量的元件。发光二极管是将电能转化为光能的元件，不是传感器，选项A错误；热敏电阻的温度变化时，其电阻会发生变化，能把热学量转换成电学量，可作为传感器，选项B正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个非电学量转换成电压这个电学量，可作为传感器，选项C正确；干电池是一种电源，不是传感器，选项D错误。]

考点1　传感器的原理和分类

有自动控制功能的蔬菜大棚，要靠传感器感知作物生长所需的各种信息。如图所示为蔬菜大棚内信息采集与自动控制示意图。试结合图中信息思考，在蔬菜种植大棚中要用到哪些传感器？

提示：需要五种传感器：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏传感器、温敏传感器。

【典例1】　关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是(　　)

A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件

B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量

C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量

D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量

C　[传感器工作的一般流程为非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量，因此A、B、D错误，C正确。]

1不同的传感器的工作原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化。

2传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不一定是电压。

3敏感元件只是传感器的一个关键部分，并不一定就是一个完整的传感器。

[跟进训练]

1．(多选)关于传感器的作用，下列说法正确的是(　　)

A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制

B．传感器可以用来采集信息

C．传感器可以将感受到的一些信息转换为电学量

D．传感器可以将所有感受到的信息都转换为电学量

BC　[传感器的作用主要是用来采集信息并将采集到的信息转换成便于测量的量；但并不是将其感受到的所有信息都转换为电学量。故B、C正确。]

考点2　光敏电阻和热敏电阻的特性

如图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什么？

提示：当光被物体挡住时，R1的电阻增大，电路中的电流减小，R2两端的电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个物体就获得一次低电压，计数一次。

1．光电传感器——光敏电阻

光敏电阻一般为半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强。

光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小。

2．温度传感器——热敏电阻和金属热电阻

(1)热敏电阻

指用半导体材料制成，其电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图所示为某热敏电阻的电阻——温度特性曲线。

热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻，正温度系数的热敏电阻随温度升高，电阻增大；负温度系数的热敏电阻随温度升高，电阻减小。

(2)金属热电阻

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

热敏电阻或金属热电阻都能够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好。

【典例2】　如图所示，R1、R2为定值电阻，L为电阻丝，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列选项中不正确的是(　　)

A．电压表的示数增大

B．R2中电流减小

C．电阻丝的功率增大

D．电路的路端电压增大

D　[当光照强度增大时，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；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；结合干路电流增大知流过电阻丝的电流必增大，则电阻丝的功率增大，故本题选项为D。]

含传感器电路的分析方法

(1)判断电路的整体连接特点。

(2)由敏感元件电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化。

(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化。

(4)根据电路串并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化，进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化。

[跟进训练]

2．如图所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图。现把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(设水对电阻阻值的影响不计)(　　)

A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显

B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显

C．如果R为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化非常明显

D．如果R为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化不明显

C　[金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，但灵敏度较差，而热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且灵敏度高，故选项C正确。]

考点3　霍尔效应的应用

如图所示的霍尔元件能把磁学量转换成电学量，电压UH与磁感应强度B满足什么关系？

提示：设图中MN方向长度为l2，则q＝qvB，根据电流的微观解释，I＝nqSv

整理后，得UH＝，令k＝，则UH＝k，故UH与B成正比。

1．霍尔效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中。例如用霍尔效应可以确定一种半导体材料是电子型还是空穴型。半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其他因素的影响很大，因此霍尔效应为研究半导体载流子浓度的变化提供了重要的方法。

2．利用霍尔效应做成的霍尔元件有很多方面的用途：例如测量磁感应强度，测量直流和交流电路中的电流和功率，转换信号，如把直流转换成交流并对它进行调制，放大直流或交流信号等。

【典例3】　(多选)如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I由正电荷的定向运动形成。下列说法正确的是(　　)

A．M点电势比N点电势高

B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度

C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量

D．若保持电流I恒定，则霍尔电压UH与B成正比

BCD　[当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集，M极感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，选项A错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B、C正确；因霍尔电压UH＝k，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确。 ]

[跟进训练]

3．(多选)如图所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，相对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持电流I恒定，则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是(　　)

A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，UH将变大

B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平

C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平

D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化

ABD　[一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由UH＝k，知UH将变大，A正确；地球两极处磁场可看作与地面垂直，所以工作面应保持水平，B正确；赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直，C错误；若磁场与工作面夹角为θ，则应有qvBsin  θ＝q，可见θ变化时，UH将变化，D正确。]

1．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．干簧管是一种由磁场控制的开关

B．楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮，说明它的控制电路中只有声传感器

C．光敏电阻能够把光信号转换成电信号

D．负温度系数的热敏电阻在温度升高时电阻减小

ACD　[传感器是指将非电学量按照一定规律转换成电学量的元件，干簧管是在玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，当有磁场靠近时，两个簧片被磁化而接通，起到了开关的作用，故选项A正确；楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮说明了在它的控制电路中既有光传感器又有声传感器，故选项B错误；光敏电阻是用电阻率与光照强度有关的材料制成的，当其被光照射时，电阻将发生变化，故选项C正确；用半导体材料制作的热敏电阻，在温度升高时，导电能力增强，即电阻减小，故选项D正确。]

2．传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是(　　)

A．生物传感器　　　 B．红外传感器

C．温度传感器   D．压力传感器

C　[空调机根据温度调节工作状态，所以内部使用了温度传感器，故选C。]

3．如图所示，RT为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻，若往RT上擦一些酒精，在环境温度不变的情况下，关于电压表示数的变化情况，下列说法中正确的是(　　)

A．变大

B．变小

C．先变大后变小再不变

D．先变小后变大再不变

D　[往RT上擦酒精后，酒精蒸发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，根据串联电路的分压特点，电压表示数变小。当酒精蒸发完毕后，RT的温度逐渐升高到环境温度后不变，所以热敏电阻的阻值逐渐变小，最后不变。故电压表的示数将逐渐变大，最后不变。所以选项D正确。]

4．如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置。则(　　)

A．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压升高

B．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压降低

C．当仅增大R2的阻值时，可减小A、B之间的电压

D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压

B　[R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过而遮蔽光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项错误；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误。]

5．如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端。在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)。

[解析]　由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化。当油量减少时，R的数值会增大，电路中的电流会减小，c、d间的电压会减小。当把电压表接在c、d两点间，电压表示数减小时，表示油量在减小。

[答案]　c、d　减小