第 1 　节 传感器及其工作原理

第六章　传感器　　

热敏电阻器的两种型号及其特性

热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的敏感元件．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 (PT

C) 热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数 (NT

C) 热敏电阻器．

热敏电阻器可按电阻温度特性、材料、结构、工作方式、工作温度和用途进行分类．

分类方式 类别电阻温度特性 正温度系数、负温度系数

材料 金属、半导体 (单晶、多晶、陶瓷 )

结构 珠状、片状、杆状、膜状工作方式 直热式、旁热式工作温度 常温、高温、低温

用途 测温控温、辐射能 (功率 )测量、稳压 (稳幅 )等

热敏电阻器的分类

热敏电阻器的用途十分广泛，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利用不同介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迟器．

1 ．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，并能够把它们按照一定的规律转换为 ________ 等电学量，或转换为 ________ ．

2 ．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为 ________这个电学量．

3 ．热敏电阻或金属热电阻能够把温度这个热学量转换为 ________ 这个电学量．

4 ．霍尔元件能够把磁感强度这个磁学量转换为 ________这个电学量．

1 ．电压、电流　电路的通断2 ．电阻　3 ．电阻4 ．电压

一、传感器及其原理

1 ．传感器

传感器是这样一类元件：它能够感受诸如力、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成为电压、电流等电学量，或转换成为电路的通断．

2 ．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．根据人测量的不同，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．

3 ．传感器的原理

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，而它输出的大多是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，一般要经过放大等处理后，再通过控制系统产生各种控制动作．传感器原理如下图所示．

非电学量 → 敏感元件 → 转换器件 → 转换电路 → 电学量

二、光敏电阻及其特性 1 ．光敏电阻特性的实验探究 (1) 实验器材 多用电表、光敏电阻、导线、黑纸、开关 (2) 实验步骤

① 用多用电表欧姆挡

两表笔与在室内自然光照

射下的光敏电阻两端连接，

测光敏电阻阻值电路如上图所示．

② 用手张开 ( 或用黑纸 ) 放在光敏电阻上，挡住部分光线，测光敏电阻阻值．

③ 全部挡住光线，测光敏电阻阻值．

④ 将所测量数据填入下表中 .

光照强度 强 中 弱

R/Ω

2. 光敏电阻的特性

根据上述实验设计可得光敏电阻的特性：光敏电阻的电阻随光照的增强而减小．

3 ．光敏电阻被光照射电阻变化的原因

光敏电阻在被阳光照射时电阻发生变化，原因是构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好，随光照的增强，载流子增多，导电性能变好．

如下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 ( 　　 )

A ．当有光照射 R1 时，信号处理系统获得高电压

B ．当有光照射 R1 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

D ．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次

解析：每当光照射在光敏电阻 R1 上时， R1 电阻变小，

串联电路中， R2 上的电压变大，即信号处理系统获得高电

压， A 对．当信号处理系统接收到一次低电压，相应计数一次，所以此题应选 A 、 C.

答案： AC

变式迁移

1. 如右图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻 Rt 的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央．若用不透光的黑纸将 Rt包裹起来，表针将向 ________( 填“左”或“右” )

转动；若用手电筒照射 Rt ，

表针将向 ________

( 填“左”或“右” ) 转动．

解析：光敏电阻受光照越强，电阻越小，所以将 Rt 用

不透光的黑纸包起来，电阻增大，指针左偏；若用手电筒

光照射 Rt ，电阻减小，指针右偏．

答案：左　右

变式迁移 三、热敏电阻及其特性 1 ．热敏电阻特性的实验探究 (1) 实验器材 热敏电阻、多用电表、烧杯(备用冷、热水 ) 、温度计、铁架台 (2) 实验步骤 ① 如右图所示，将一热敏电阻连入电路中．用多用电表欧姆挡测其电阻，记录温度、电阻值． ② 将热敏电阻放入少量冷水中并将它插入有温度计的烧杯中，记录温度、电阻值． ③ 再分几次向烧杯中倒入热水观察不同温度下热敏电阻的阻值．

④ 在右图中，粗略描绘出热敏电

阻的阻值 R 随温度 t 变化的 R－ t 图线．

⑤根据实验数据和 R－ t 图线，说

明热敏电阻的阻值是否随温度变化而

均匀变化？

次数 待测量 1 2 3 4 5

t/°C

R/Ω

把测量到的温度、电阻值填入下表中

2 ．热敏电阻

热敏电阻由半导体材料制成，根据上述实验可知，其电阻值随温度的变化明显，

温度升高电阻减小，如右

图所示为某一热敏电阻的

电阻值随温度变化的特性

曲线．

3 ．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，称为热电阻．右图为某金属导线的电阻－温度特性曲线．

注意：热敏电阻和金属热

电阻都能够把温度这个热学量

转换成电阻这个电学量，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．

如下图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻 Rt 的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往 Rt 上擦一些酒精，表针将向 ________( 填“左”或“右” ) 移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向 ________( 填“左”或“右” ) 移动．解析：若往 Rt 上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻 Rt 温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻 Rt

温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．

答案：左　右

变式迁移 2.有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如下图所示电路中的 A 、 B 两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是 ( 　　 ) A ．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻 B ．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻 C ．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻 D ．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻

解析：热敏电阻的阻值随温度变化而变化，定值电阻和光敏电阻不随温度变化；光敏电阻的阻值随光照变化而变化，定值电阻和热敏电阻不随之变化．

答案： AC

四、霍尔元件 1 ．霍尔元件 如右图所示，在一个很小的矩形半导体 (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． 说明：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 UH＝ k

说明： (1) 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． (2) 一个霍尔元件的 d 、 k 为定值，再保持 I 恒定，则 UH

的变化就与 B 成正比，因此霍尔元件，又称磁敏元件．

IBd

3 ．霍尔效应的原理

外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向电场；横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板左右两侧会形成稳定的电压，设上图中 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＝ .

UH

l2

IBnqd

令 k＝ ，因 n 为材料单位体积的带电粒子个数， q

为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以 UH＝ k .

UH 与 B 成正比，这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因．

1nq

IBd

电磁流量计广泛应用于测量可导电流体 ( 如污水 ) 在管中的流量 (即单位时间内通过管内横截面的流体的体积 ) ．为了简化，假设流量计是如下图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的 a 、b 、 c. 流量计的两端与送流体的管道相连 ( 下图中虚线 ) ．图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料．现于流量计所在处加磁感应强度为 B 的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面．当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻 R 的电流表的两端连接， I 表示测得的电流值．已知流体的电阻率为 ρ ，不计电流表的内阻，则可求得流量为 ( 　　 )

A.IB(bR＋ρ

ca) B.

IB(aR＋ρ

bc)

C.IB(cR＋ρ

ab) D.

IB(R＋ρ

bca )

解析：本题实质上是有关磁与电传感器的计算题，综合性强、能力要求高． 设管中流体的流速为 v，则在 Δt 时间内流体在管中向前移动的距离为 vΔt ，这样如图画线的流体在 Δt 时间内都将流过横截面．设此横截面积为 S ，则画线的流体体积 ΔV ＝SvΔt ，除以时间 Δt ，则得到流体在该管中的流量为 Q ＝ ＝ Sv. 对于题干所给的流量计，横截面积 S ＝ bc ，故流过流量计的流量 Q ＝ vbc ，对于给定的流量计， b 与 c 是常量，可见测流量实质是测流速．

ΔVΔt

当可导电流体稳定地流经流量计，流量体将切割磁感线，这样在流量计的上、下两面产生的感应电动势 E ＝ vBc ，其中 B

是垂直于流量计前后两面的匀强磁场的磁感应强度， c 是流过流量计流体的厚度， v是可导电流体在流量计中的速．这样在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻 R 的电流表的两端连接，如右图所示，则将有电流流过闭合电路．这个闭合电路中的电动势就是由可导电流体沿流量计流动切割磁感线而产生的感应电动势，如下图所示，电阻包括外接的电阻 R 和可导电流体的电阻 r ＝ ρ .

cab

这样根据欧姆定律，得到闭合电路中的电流等于

I＝vBc

R＋ρc

ab

由此就得到可导电流体在流量计中的流速为

v＝I

Bc(R＋ρc

ab)，

于是就得到流过流量计的流量

Q＝vbc＝IB(bR＋ρ

ca)．

答案：A

变式迁移 3 ．一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为 1 个元电荷量，即 q＝ 1.6×10 － 19 C ，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机电源的通断等． 在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽 a ＝ 1.0×10 － 2 m 、长b ＝ 4.0×10 － 2 m 、厚 h＝ 1×10 － 3

m ，水平放置在竖直向上的磁感应强度 B＝ 1.5 T 的匀强磁场中， bc 方向通有 I＝ 3.0 A 的电流，如上图所示，沿宽度产生 1.0×10 － 5 V 的横向电压．

b

c

(1)假定载流子是电子， a 、 b 两端中的哪端电势较高？(2)薄板上形成电流 I 的载流子定向运动的速率多大？解析： (1) 根据左手定则可确定 a 端电势高．(2) 当导体内由于载流子有沿电流方向所在的直线定向运

动时，受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时，导体横向电压稳定．设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速度为 v，横向电压为 Ua

b ，横向电场强度为 E ，电场力为 Fe ＝ E·e ＝ ·e ，磁场力

Uab

a b

FB＝evB，平衡时Uab

a b·e＝evB，得：

v＝Uab

ab B＝6.7× 10－4 m/s.

答案：(1)a (2)6.7× 10－4 m/s

基础巩固

1 ．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是 ( 　　 )

A ．金属导体　　　　　　 B ．绝缘体

C ．半导体 D ．超导体

解析：题中所述四种材料中只有半导体的电阻随温度升高而减小，故选 C.

答案： C

能力提升9 ．如下图所示：

(1) 图甲是 ________ 的电容式传感器，原理是 ________ ．

(2) 图乙是 ________ 的电容式传感器，原理是 ________ ．

(3) 图丙是 ________ 的电容式传感器，原理是 ________ ．

(4) 图丁是 ________ 的电容式传感器，原理是 ________ ．

解析： (1) 图甲是角度的电容式传感器，其原理是当动金属片旋进的角度不同时，电容的正对面积不同，电容的容量不同．

(2) 图乙是液体的电容式传感器，其原理是导电液体相当于电容器的一个极板，当液体深度发生改变时，相当于两极的正对面积发生改变，电容的容量也随之改变．

(3) 图丙是压力的电容式传感器，其原理是当作用在一个电极的压力改变时，金属片的形变也发生改变，两极板的距离发生改变，电容的容量也发生改变．

(4) 图丁是位移的电容式传感器，其原理是和物体固定在一起的电介质板，当物体发生一小段位移时，插入两极板间的电介质发生变化，导致电容的容量发生变化．

答案：见解析