常見傳感器的工作原理及應用

【教學目標】

一、知識與技能

1．知道傳感器中常見的四種敏感元件：光敏電阻、熱敏電阻、電阻應變片和霍爾

元件。

2．通過實驗，知道常見傳感器的工作原理及應用。

二、過程與方法

通過對實驗的觀察、思考和探究，讓學生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同

時，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的觀察能力、實踐能力和創新思

維能力。

三、情感、態度與價值觀

體會傳感器在生活、生產、科技領域的種種益處，激發學生的學習興趣，拓展學生

的知識視野，并加強物理與STS的聯系。通過動手實驗，培養學生實事求是的科學態

度、團隊合作精神和創新意識。

【教學重點】

知道傳感器中常見的四種敏感元件：光敏電阻、熱敏電阻、電阻應變片和霍爾元件。

【教學難點】

知道常見傳感器的工作原理及應用。

【教學過程】

一、復習舊知

1．傳感器：能像人的感覺器官那樣感受外界信息，并能按照一定的規律和要求把

這些信息轉換成可用輸出信息的器件或裝置。

2．傳感器的種類：

①物理傳感器：力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等

②化學傳感器：離子傳感器、氣體傳感器等

③生物傳感器：酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器等

3．傳感器的基本部分：敏感元件、轉換元件

敏感元件：能直接感受或響應外界被測非電學量的部分。

轉換元件：能將敏感元件輸出的信號直接轉換成電信號的部分。

4．傳感器應用的一般模式

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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？

二、學習新知

（一）光敏電阻

學生實驗1：學生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測量一只光敏電阻的阻值，實驗

分別在暗環境和強光照射下進行。

學生總結實驗結果：光敏電阻在暗環境下電阻值很大，強光照射下電阻值很小。

師生總結：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。

教師簡單介紹：光敏電阻在光照射下電阻變化的原因。有些物質，例如硫化鎘，是

一種半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能不好；隨著光照的增強，載流子增

多，導電性變好。

應用：自動計數裝置

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；有物品擋住由A射

向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大。

（二）金屬熱電阻和熱敏電阻

1．金屬熱電阻：

教師提問：金屬導體的導電性能與溫度有關嗎？關系如何？

學生回答：金屬導體的電阻隨溫度的升高而增大，如白熾燈鎢絲的電阻在正常工作

情況下比常溫下的電阻大得多。

學生探究：鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大。

師生總結：用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。如前面已經學過的用金屬

鉑可制作精密的電阻溫度計。

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2．熱敏電阻：

學生實驗2：學生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測一只熱敏電阻的阻值。第一次

直接測量，第二次用手心捂住熱敏電阻再測量，記錄兩次測得的電阻值。

學生探究：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，且阻值隨溫度變化非常明顯。

師生總結：半導體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。

師生總結比較：金屬熱電阻與熱敏電阻都能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電

學量，金屬熱電阻的化學穩定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。

[例題1]有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件分別接入如圖所示電路中A、

B兩點后，用黑紙包住元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數，下列說法正確的是（）

A．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數變化較大，

這只元件一定是熱敏電阻

B．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數不變化，

這只元件一定是定值電阻

C．用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數變化

較大，這只元件一定是光敏電阻

D．用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數相同，這只元件一定是定值

電阻

（三）電阻應變片

原理：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。

[例題2]如圖是一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置。其中電源電壓保持不變，

R是滑動變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端。在裝置中使用了一只電壓表（圖中沒

有畫出），通過觀察電壓表示數，可以了解油量情況。

將電壓表分別接在b、c之間與c、d之間，當油量變化時，電壓表的示數變化有何

不同？

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（四）電容式位移傳感器（位移傳感器）

傳感器是把非電學量轉換為電學量的元件，它使得某些非電學量容易測量或者能實

現電路的自動通斷。傳感器的應用豐富了我們的生活，使我們的生活更舒適、更安全。

但從科技進步的角度來說，傳感器的應用還只是淺層次的，更重要的是傳感器的開發。

那么，傳感器如何進行開發呢？這還得從傳感器的工作原理入手。例如，電容器電容的

決定式為，如何利用電容的電學量與非電學量的關系設計一個電容式傳感器？

??

?=4???

[例題3]電容式傳感器是用來將各種非電信號轉變為電信號的裝置，由于電容器的

電容C取決于極板正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質這幾個因素，當某一

物理量發生變化時就能引起上述某個因素的變化，從而又可推出另一物理量的值．如圖

所示是四種電容式傳感器的示意圖，關于這四種傳感器的作用，下列說法不正確的是

（）

A．甲圖的傳感器可以用來測量角度

B．乙圖的傳感器可以用來測量液面高度

C．丙圖的傳感器可以用來測量壓力

D．丁圖的傳感器可以用來測量速度

（五）霍爾元件

1879年美國物理學家霍爾觀察到，在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導體，

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當磁場方向與電流方向垂直時，導體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現了電勢差。

人們把這樣的現象稱為霍爾效應，所產生的電勢差叫霍爾電壓。人們利用霍爾效應做成

了霍爾元件。

如圖，霍爾元件是在一個很小的矩形半導體（例如砷化銦）薄片上，制作4個電極

E、F、M、N而成。若在E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的勻強磁場B，

薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發生偏轉，使M、N間出現電壓UH。這個電壓

IB

叫霍爾電壓，其決定式為Uk。式中d為薄片的厚度，k為霍爾系數，它的大小與

Hd

薄片的材料有關。

師生共析：由上式看，一個霍爾元件的厚度d、k為定值，若保持I恒定，則UH

的變化就與B成正比。也就是說：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。因此，我們可以把霍爾元件放置在某一未知的磁場中，通過測定霍爾電壓

U的變化得知該磁場磁感應強度的變化。

三、小結

傳感器名稱輸入的物理量輸出的物理量

光敏電阻光學量電學量

熱敏電阻熱學量電學量

金屬熱電阻熱學量電學量

電阻應變片力學量電學量

電容式位移傳感器力學量電學量

霍爾元件磁學量電學量

四、鞏固練習

1．下列關于電子秤中應變式力傳感器的說法正確的是（）

A．應變片是由導體材料制成

B．當應變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之，變小

C．傳感器輸出的是應變片上的電壓

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D．外力越大，輸出的電壓值也越大

2．如圖所示為大型電子地磅電路圖，電源電動勢為E，內阻不計，不稱物體時，

滑動頭P在A端，滑動變阻器接入電路中有效電阻最大，電流較??；稱重物時，在壓

力作用下使滑動頭下移，滑動變阻器有效電阻變小，電流變大。這樣把電流對應的質量

值刻在刻度盤上，就可以讀出被稱物體的質量。若滑動變阻器上A、B間長度為l，最

大阻值為R0，已知兩彈簧的總彈力與形變量成正比，比例系數為k，試導出所稱重物重

力G與電路中電流I的函數關系。

3．溫度傳感器廣泛應用于室內空調、電冰箱和微波爐等家用電器中，它是利用熱

敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的特性工作的。在圖甲中，電源的電動勢E＝9.0V，內

阻可忽略不計；G為靈敏電流表，內阻r保持不變；R0為保護電阻，R為熱敏電阻，其

電阻值與溫度變化的關系如圖乙所示。試寫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的關系式。閉

合開關S，當R的溫度等于40℃時，電流表示數I1＝2.25mA。則當電流表的示數I2＝

3.6mA時，熱敏電阻R的溫度是多少攝氏度？

4．如圖所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數的熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度

降低時（）

A．R1兩端的電壓增大

B．電流表的示數增大

C．小燈泡的亮度變強

D．小燈泡的亮度變弱

5．將萬用表的選擇開關置于“歐姆”擋，再將萬用表的兩支表筆與負溫度系數的

熱敏電阻RT（阻值隨溫度升高而降低）的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中

間。若往R上擦一些酒精，表針將向________（填“左”或“右”）移動；若用吹風機

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將熱風吹向電阻，表針將向________（填“左”或“右”）移動。

6．如圖所示，是一個測定液面高度的傳感器，在導線芯的外面涂上一層絕緣物質，

放在導電液體中，導線芯和導電液體構成電容器的兩極。把這兩極接入外電路，當外電