传感器及其敏感元件

第九章,传感器第1节传感器及其敏感元件

◎目标导航

知识要点难易度

1.传感器是指检测元件，将非电信号转化为电信号并输出★

2.基本工作原理，核心是敏感元件★

3.光敏电阻：光强增大，R减小★★

热敏电阻：温度增大，R可能增大也可能减小★★

金属热电阻：温度增大，R增大★★

4.传感器的分类★

◎知识精讲

1.传感器(sensor)

一种检测装置(元件)，能感受到被测量的信息，并将其转化为电信号进行输出。

具体的说，它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学星，并能把它们按照一定的规律

转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。

2.传感器的结构

传感器的结构如下图所示。

①非电学量：如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等。

②敏感元件：光敏电阻，热敏电阻，压力传感器的应变片等。

③转化器件：将非电信号转化为电信号，如应变片受力后弯曲，一侧伸长，一侧缩短，需将长度信

息转化为电阻信息，但一股电信号还比较微弱。

如敏感元件输出的是电信号，则敏感元件和转化元件合二为一。

④转换电路：对电信号进行调整和放大。

⑤电学量：如电压值、电流值、电荷量等。

3.敏感元件

(1).光敏电阻

主要特性：光照强度增大，电阻值减小。

材料：由半导体材料制成，如硫化镉。

机制：在无光时，自由电荷(载流子)极少，导电性能天好，即电阻R大；

随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即R明显减小。

(2).热敏电阻

材料：热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。

主要性质：正温度系数(PTC)热敏电阻器：电阻值随温度上升而增加；

负温度系数（NTC）热敏电阻器：电阻值随温度上升而减小，一般非线性，

临界温度电阻（CTR）：某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数。

电阻率随温度变化图像，如下图：斜率表示随温度变化的敏感程度，即变化率。

应用：测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿。

（3）.金属热电阻

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

（4）.热敏电阻和金属热电阻的区别

温度升高，金属热电阻电阻增大，而不同热敏的电阻可能增大也可能减小；

相比较而言，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高。

4.传感器的分类

（1）常用传感器根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。

①物理传感器：包括力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器；

②化学传感器：包括离子传感相、气体传感器等化学传感器；

③生物传感器：包括酶传感器、微生物传感器，细胞传感器等生物传感器。

（2）物理型传感器的分类

①按测量的物理量分类，可分为位移、力、温度、磁场传感器等；

②按工作原理分类，可分为热电偶、霍尔器件、光电传感器等；

③按感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、

放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等；

④按输出信号的性质则可分为输出数字信号（1和0）、模拟信号。

◎例题精讲

例I.（多选）传感器担负着信息采集的任务，它可以（）

A.将力学量（如形变量）转变成电学量

B.将热学量转变成电学量

C.将电学量转变成光学量

D.将电学量转变成力学量

【答案】AB

【解析】传感器将非电信号转化为电信号，所以AB正确。

例2.（单选）如图所示是一自动控制电路示意图，Ri为光敏电阻，当照射到Ri处的光消失时，电流表A

中的电流I及ab间的电压U的变化情况是（）

A.I变大，U变大B.I变小，U变小

C.I变小，U变大D.I变大，U变小

【答案】：A

【解析】：光敏电阻无光照射时其阻值变大，并同串反，A符合题意。

例3.传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量（如

温度、光、声等）转换成便于测量的量（通常是电学量），例如热传感器，主要是应用了半导体材料制成

的热敏电阻，热敏电阻随温度变化的图线如图甲所示，图乙是用热敏电阻凡作为传感器制作的简单自

动报警器原理图。则

（1）为了使温度过高时报警器铃响，开关应接在（填%"或

（2）若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向（填“左”或“右”）移动。

【答案】（1）。（2）左

【解析】温度升高时，热敏电阻阻值减小，图乙中通电螺线管的磁性增强，将与弹簧相连的金属导体

向左吸引，要使报警器所在电路接通并报警的话，开关应接在或要实现温度更高时，即热敏电阻阻值

更小时才将报警器电路接通，应该将滑动变阻器连入电路的阻值调大，即P向左移动。

例4.（单选）人类发射的绕地球运转的所有航天器，在轨道上工作时都需要电能，所需要的电能都是由太

阳能电池把太阳能转化为电能得到的，要求太阳能电池板总是对准太阳，为达到这一要求应利用下列哪种

传感器来感知太阳方位（）

A.力传感器B.光传感器C.温度传感器D.生物传感器

【答案】B

【解析】太阳帆的有效采光面积不同，所产生的电流不同，当电流最大时正对太阳，所以应用的是光传

感器，选项B正确，选项A、C、D错误.

◎巩固练习

1.全自动洗衣机设有多段式水位自动撼应装置，该水位自动感应装皆采用的传感器是（）

A.温度传感器B.压力传感器

C.生物传感器D.红外线传感器

【答案】B

【解析】传感器是通过压力的变化来感知水位的高低，B正确。

2.关于光敏电阻，下列说法正确的是（）

A.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量

B.硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好

C.硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较多，导电性良好

D.半导体材料硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性变好

【答案】ABD

【解析】硫化镉随着光照增强，载流子增多，导电性变好，由它做成的光敏电阻随着光照增强，电阻

变小

3.用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程”下列属于这类

传感器的是（）

A.红外报警装置

B.走廊照明灯的声控开关

C.自动洗衣机中的压力传感装置

D.电饭煲中控制加热和保温的温控器

【答案】A

【解析】红外线是光信号，红外报警装置是把光信号技化为电信号，A正确；

声控开关是把声音信号转化为电信号，B错误；

压力传感装置是把力信号转化为电信号，C错误；

温控器是把温度信号转化为电信号，D错误。

4.烟雾散射式火灾报警器内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平常光电三极管收不

到LED发出的光，呈现电阻状态。当有烟雾时因其对光的散射作用，使部分光线照射到光电

三极管上，其电阻变。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。

【答案】高小

5.（1）如图是利用光敏电阻自动计数的示意图，其中/是,8中的主要元件是o

（2）自动计数原理是：。

【答案】（1）发光仪器；光敏电阻（2）见解析

【解析】（1）发光仪器；光敏电阻

（2）光传送带上没有物品挡住由力射向3的光信号时，光敏电阻的阻值变小，供给信号处理系统的

电压变低；当传送带上有物品拦住由力射向8的光信号时，光敏电阻的阻值变大，供给信号处理系统

的电压变高，这种高低交替变化的信号经过信号处理系统处理，就会自动将其转化为相应的数字，实

现自动计数功能.

6.如图所示，Ri为定值电阻，氐为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（）

A.Ri两端的电压增大R

B.电流表的示数增大|rk

c.小灯泡的亮度变强二,y2

D.小灯泡的亮度变弱

【答案】C

【解析】负温度系数的热敏电阻，温度降低时.，电阻增大。并同串反，L变亮，电流表和R1两端电压

都变小，C正确。

7.在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸领等半导体材料制成的

电FFL器，其电阻率P随温度，的变化关系如图所示，由于这种特性，PTC元

件具有发热、保温双重功能。对此，以下判断正确的是（）

①通电后，其电功率先增大，后减小

②通电后，其电功率先减小，后增大

③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在4不变

④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在4和G之间的某一值不变

A.①③B.②③C.②@D.①④

【答案】D

【解析】当温度由。升到4的过程中，电阻率夕随温度升高而减小，其电阻H随之减小，由于加在灭

蚊器上的电压U保持不变，热功率夕随之增大，当/时，达到最大。

当温度由4升高到的过程中，P增大，R增大,P减小;

而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率/也就越大；

因比在这之间的某一温度与会有P=〃=产，4为保温点;

当Yg,P>P'，使温度白动升高到小当口匕，P〈P'，使温度白动降为人实现白动保温。

恒温点在U或小于H时，当温度降低时，加热功率和散热功率都减小，不利于控制升温；

同理恒温点等于或大于13,当温度升高时，加热功率和散热功率都增大，不利于控制降温；

只有温度降低时，加热功率增大，散热功率减小，那一定会升温；温度升高时，加热功率减小，散热

功率增大，那一定会降温，所以恒温点在“和12之间最合理可行。

8.如图所示为一实验小车利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A为光源，曰为光电接收器，

A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与c同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过

旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被日接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验

显示单位时间内的脉冲数为n,累计脉冲数为N,则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是

;小