第5章傳感器

第2節常見傳感器的工作原理及應用

本節課程主要研究了光敏電阻、熱敏電阻以及電阻應變片的工作原理，及其在現實生活中的應用，

認識到傳感器主要是用來完成一定的控制任務，通過對本節知識的學習學生可以嘗試使用常見的電

子元器件，組裝實用的光控開關與溫度報警電路。

【物理觀念】了解不同傳感器的特征及工作原理

【科學思維】知道傳感器是如何將非電學量轉化為電學量的物理過程，培養學生理論聯系實際的思

維習慣。

【科學探究】查閱資料，進一步了解傳感器在生產、生活中的廣泛應用。

【科學態度與責任】在了解傳感器原理及應用時，知道已學知識在生活、生產、科技社會中的價值，

增強學習興趣，培養良好的科學態度．

【教學重點】了解光敏電阻、熱敏電阻、電阻應變片以及電容式傳感器的工作原理。

【教學難點】知道不同傳感器在實際生產中應用時所涉及的物理原理、相應的定性分析及定量運算。

一、【引入新課】

問題：

我們知道，傳感器可以感受光強、溫度、力、磁等非電學量，并把它們轉換為與之有確定對應

關系的電學量輸出。那么，常見的傳感器是怎樣感知非電學量，并將其轉換為電學量的呢？利用不

同的敏感元件制成的各種傳感器又有哪些應用呢？

那么什么是非電學量呢？

比如說：光強、溫度、力、位移、速度、磁場等

什么又是電學量呢？

比如說：電阻、電流、電壓。

二、【進行新課】

探究點一、光敏電阻—光學傳感器

1、什么是光敏電阻：隨著光照強度的變化，電阻率在發生相應變化的物質。

把硫化鎘涂敷在絕緣板上，在其表面再用銀漿涂敷兩個互不相連的梳狀電極，就形成一個簡單的光

敏電阻。

2、實驗一、觀察光敏電阻特性

1）．實驗原理

光敏電阻的阻值會隨著光照強度的增加而不斷減小，

用歐姆表連接電阻，用不同強度的光照射電阻，通過

觀察歐姆表的示數變化，來研究光敏電阻與光強的關系。

2）．實驗器材

光敏電阻、多用電表、導線、電源。

3）．實驗步驟

（1)將光敏電阻、多用電表、按圖甲的方式連接好，其中多用電表置于“×100”擋；

（2)先測出在室內自然光的照射下光敏電阻的阻值，并記錄數據；

（3)用手掌(或黑紙)遮光時，觀察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。

（4）用強光照射（如太陽光直接照射或拿亮度較大的手電筒、小燈泡等）觀察多用電表表盤指針顯

示電阻阻值的情況，并記錄。

4）．數據處理

根據記錄數據分析光敏電阻的特性。

5）．實驗結論

(1)光敏電阻在暗環境下電阻值很大，隨著光強的變化阻值不斷減小，強光照射下電阻值很小；

(2)光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。

思考：為什么光敏電阻的阻值會隨光強的變化而變化呢？

硫化鎘是一種半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能差；隨著光照的增強，載流子增多，

導電性變好。

3、光敏電阻在生產中的應用—光電計數器

其中A是發光儀器，B是接收光信號的儀器，B中的主要元件是由光敏電阻組成的光電傳感器。當傳

送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值較小，供給信號處理系統的電壓變低；

當傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，供給信號處理系統的電壓變

高。這種高低交替變化的信號經過處理，就會轉化為相應的數字，實現自動計數的功能

光電計數的基本原理

探究點二、金屬熱電阻和熱敏電阻—溫度傳感器

4、金屬熱電阻與熱敏電阻的區別

金屬熱電阻：金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。常

用的一種熱電阻是用鉑制作的，可用來做電阻溫度計。

電阻隨溫度的變化關系

熱敏電阻：有些半導體在溫度上升時導電能力增強，因此可以用半導體材料制作熱敏電阻。有一種

熱敏電阻是用氧化錳等金屬氧化物燒結而成的，它的電阻隨溫度的變化非常明顯。

電阻隨溫度的變化關系

說明：與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學穩定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。

5、實驗二、觀察熱敏電阻特性

方案1：（簡易實驗）將多用電表的選擇開關調到電阻擋（注意選擇適當的倍率），將一只熱敏電

阻連接到多用電表表筆的兩端。分別用手和冷水改變熱敏電阻的溫度，觀察電阻的變化情況。

實驗結果：隨著溫度的變化，熱敏電阻的阻值在減小。

方案2

1．實驗原理

熱敏電阻的電阻率會隨著溫度的升高而變化，

2．實驗器材

半導體熱敏電阻、多用電表、溫度計、鐵架臺、燒杯、涼水和熱水。

3．實驗步驟

(1)按實驗原理圖甲連接好電路，將熱敏電阻絕緣處理；當燒杯中水溫發生變化時，熱敏電阻的阻值

將發生相應變化。

(2)把多用電表置于歐姆擋，并選擇適當的量程測出燒杯中沒有水時熱敏電阻的阻值，并記下溫度計

的示數；

(3)向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒在冷水中，記下溫度計的示數和多用電表測量的熱敏

電阻的阻值；

(4)將熱水分幾次注入燒杯中，測出不同溫度下熱敏電阻的阻值，并記錄。

4．數據處理

在如圖坐標系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。

5．實驗結論

熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大。

6．注意事項

實驗時，加熱水后要等一會兒再測熱敏電阻阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時讀出水溫。

6、熱敏電阻的應用

一些汽車的低油位報警裝置采用熱敏電阻來檢測油箱的警戒液位。若給熱敏電阻通以一定的電流，

熱敏電阻會發熱。當液面高于熱敏電阻的高度時，熱敏電阻發出的熱量會被液體帶走，溫度基本不

變，阻值較大，指示燈不亮（圖甲）。當液體減少、熱敏電阻露出液面時，發熱導致它的溫度上升、

阻值較小，指示燈亮（圖乙）。通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設定值。

液位報警示意圖

探究點三、電阻應變片—力傳感器

7、電阻應變片的工作原理

電阻應變片是一種使用非常廣泛的力敏元件，電阻與導體的材料、長度和橫截面積有關。當金屬絲

受到拉力時，長度變長、橫截面積變小，導致電阻變大；當金屬絲受到壓力時，長度變短、橫截面

積變大，導致電阻變小。金屬導體在外力作用下發生機械形變（伸長或縮短）時，其電阻隨著它所

受機械形變的變化而發生變化的現象，稱為金屬的電阻應變效應。金屬電阻應變片就是利用這一原

理制成的。

電阻應變片

電阻應變片的功能：能夠把物體形變這個力學量轉換為電阻這個電學量。

8、力傳感器的應用及工作原理

彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個應變片。在梁的自由端施力F，則梁發

生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變大，下表面應變片的電阻變小。力F越

大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大。如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上表面

應變片兩端的電壓變大，下表面應變片兩端的電壓變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。力F越

大，輸出的電壓差值也就越大。

應變式傳感器應變片測力原理

汽車稱重的地磅

探究點四、電容式傳感器

9、電容式傳感器定義及特點

1、定義：電容傳感器是指將被測量(如尺寸、壓力等)的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。電

容器是由兩塊金屬電極之間夾一層絕緣電介質構成。當在兩金屬電極間加上電壓時,電極上就會存儲

電荷,所以電容器是儲能元件。

2.特點：結構簡單;動作時需要能量低,由于帶電極板間靜電吸引力很小因此電容傳感器特別適宜用

來解決輸入能量低的測量問題。

10、電容式傳感器的工作原理

電容器的電容C決定于極板的正對面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質這三個因素。如

果某個物理量的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的

電容就可以確定這個物理量的變化，由此可以制成電容式傳感器。

11、電容式傳感器的應用及優缺點

應用：面積型可用來測量位移（較大位移），極距型傳感器可用來測量微小位移，介質型傳感器可

用來鑒別材質。

優點：電容位移傳感器能實現無接觸測量。它采用合適的檢測電路，做到靈敏度高、分辨力強、能

分辨微小的位移。還有信噪比大，靈敏度高，零漂小，頻響寬，非線性小，精度穩定性好，抗電磁

干擾能力強和使用操作方便。

缺點：電容位移傳感器的量程比較小，一般只有幾十個毫米，容易受外界干擾和分布參數的影響

電容傳感器

【拓展學習】

12、霍爾元件

霍爾元件的應用及原理1—測量磁場的大小

半導體的霍爾效應要強于導體。在一個很小的矩形半導體（如砷化銦）薄片上，制作四個電極E、

F、M、N，它就成了一個霍爾元件（右圖下）。在E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直

的磁感應強度為B的磁場，則在M、N間可出現霍爾電壓UH。通過分析可知，霍爾電壓UH與磁

感應強度B有線性關系，因此利用霍爾元件可以測量磁感應強度的大小和方向。霍爾元件能夠把磁

感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量。

霍爾效應霍爾原件的工作原理

霍爾元件的應用及原理2—測量微小位移

在兩塊磁感應強度相同、同極相對放置的磁體縫隙中放入霍爾元件，當霍爾元件處于中間位置時，

磁感應強度B為0，霍爾電壓UH為0，可將該點作為位移的零點。當霍爾元件沿著±z方向移動時，

則有霍爾電壓輸出，且電壓大小與位移大小成正比，從而能夠實現微小位移的測量。

利用霍爾元件測量微小位移

課堂重點知識小結

1.什么是光敏電阻；

光學傳感器2.實驗一、觀察光敏電阻特性；

3.光敏電阻在生產中的應用—光電計數器；

4.金屬熱電阻與熱敏電阻的區別；

溫度傳感器5.實驗二、觀察熱敏電阻特性;

6、熱敏電阻的應用;

7.電阻應變片的工作原理

力傳感器

8.力傳感器的應用及工作原理

9.電容式傳感器定義及特點

電容感器10.電容式傳感器的工作原理

11.電容式傳感器的應用及優缺點

隨堂練習

例1、(多選)利用光敏電阻制作的光傳感器,記錄了傳送帶上工件的輸送情況。如圖甲所示為某工廠成

品包裝車間的光傳感記錄器,光傳感器B能接收到發光元件A發出的光,每當工件擋住A發出的光時,

光傳感器就輸出一個電信號,并在屏幕上顯示出電信號與時間的關系,如圖乙所示。若傳送帶始終勻速

運動,每兩個工件間的距離為0.2m,則下述說法正確的是()

A.傳送帶運動的速度是0.1m/s

B.傳送帶運動的速度是0.2m/s

C.該傳送帶每小時輸送3600個工件

D.該傳送帶每小時輸送7200個工件

【答案】：BC

【解析】：根據題意并結合題圖可知,工件1s內的位移為0.2m,則傳送帶運動的速度v=0.2/1=0.2m/s,

選項A錯誤,B正確。傳送帶每小時輸送的工件個數=3600(個),選項C正確,D錯誤。

例2、傳感器是把非電學量(如速度、溫度、壓力等)的變化轉換成電學量的變化的一種元件，在自動

控制中有著相當廣泛的應用。有一種測量人的體重的電子秤，其測量部分的原理圖如圖中的虛線框

所示，它主要由壓力傳感器R(電阻值會隨所受壓力大小發生變化的可變電阻)和顯示體重大小的儀表

(實質是理想電流表)組成。壓力傳感器表面能承受的最大壓強為1×107Pa，且已知壓力傳感器的電

阻R與所受壓力的關系如表所示。設踏板和壓桿的質量可以忽略不計，接通電源后，壓力傳感器兩

端的電壓恒為4.8V，g取10m/s2。請作答：

(1)該秤零點(即踏板空載時)的刻度線應標在電流表刻度盤A處。

(2)如果某人站在該秤踏板上，電流表刻度盤的示數為20mA，這個人的質量是kg。

【答案】：(1)1.6×10－2(2)50

【解析】：(1)由題表格知，踏板空載時，壓力傳感器的電阻R＝300Ω，

U4.8

此時電流表中電流I＝＝A＝1.6×10－2A。

R300

U4.8

(2)當電流I′＝20mA＝2×10－2A時，壓力傳感器的電阻R′＝＝Ω＝240Ω，

I′2×10－2

由表格可知，這個人受到的重力為500N，此人質量為50kg。

例3、(多選)電動自行車是一種使用廣泛的交通工具,其速度控制是通過轉動右把手實現的,這種轉動

把手稱為“霍爾轉把”,屬于傳感器非接觸控制。轉把內部有永久磁鐵和霍爾器件等,截面如圖甲。永

久磁鐵的左、右兩側分別為N、S極,開啟電源時,在霍爾器件的上、下面之間加