第2节 常见传感器的工作原理及应用 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 教学设计

第2节常见传感器的工作原理及应用

第3节利用传感潜制作简单的自动控制装置

［学习目标］

1.了解光敏电阻的特性及其在生活、生产中的应用。

2.了解金属热电阻和热敏电阻的特性及其在生活、生产中的应用。

3.了解电阻应变片、电容式位移传感器的特性及其在生活、生产中的应用。

4.会设计简单的有关传感器应用的控制电路。

.............%知见整必备知识•素养奠基生套士受...........

知I识I梳I理

知识点1常见传感器的工作原理及应用

（一）光敏电阻

1.特点：光敏电阻在暗环境中电阻很大，在强光照射下电阻很小。

2.原理：无光照时，载流子极少,导电性能差；随着光照的增强，载流子

增多,导电性变好。

3.作用：把幽强度这个光学量转换为电阻这个电学量。

4.应用：自动计数装置

没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值较小；有物品挡住

由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大。

（二）热敏电阻和金属热电阻

热敏电阻金属热电阻

特点电阻率随温度升高而减小电阻率随温度升高而增大

制作材料半导体金属

优点灵敏度高化学稳定性好，测量范围大

作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量

（三）电阻应变片

I.电阻应变片原理：电阻应变片是一种使用非常广泛的力M元件.我们知

道，电阻与导体的材料、长度和横截面积有关。当金属丝受到拉力时，长度变长、

横截面积变小，导致电阻变大；当金属丝受到压力时，长度变短、横截面积变大,

导致电阻变小。金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电殂随

着它所受机械形变的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。金属电

阻应变片就是利用这一原理制成的。除了金属电阻应变片外，常用的电阻应变片

还有半导体电阻应变片，它的工作原理是基于半导体材料的国型效应。

2.作用：电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。

我们经常见到的电子秤，它所使用的测力器件是力传感器。常用的一种力传

感器是由金属梁和电阻应变片组成的,称为应变式力传感器。

3.应变式力传感器原理：这种力传感器的工作原理如图所示。弹簧钢制成

的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片。在梁的自由端施力F,

则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应

变片的电阻变小。力/越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如让

应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，卜.表面应变

片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。力尸越大，输出的电压

差值也就越大。

[F咿梁,应变片

匚二二应变片

4.电容式位移传感器（位移传感器）

电容器极板1V

电介质『"【si体

原理：它可以将位移变化转化为电容信号,如图所示，当物体向左运动时,

电容增大;当物体向右运动时，电容减小。

知识点2利用传感器制作简单的自动控制装置

（一）门窗防盗报警装置

1.电路

门面防盗报警装置电路图

2.工作原理：闭合电路开关S,系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，遨体

M靠近干簧管SA,干簧管两个赞片被磁化相吸而接通继电线圈K,使继电器工

作。继电器的动触点c与常开触点a接通,发光二极管LED发光。当门窗开启

时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开,继电器被断电。继电器的动触点c与蜜

闭触点b接通,蜂鸣器H发声报警。

（二）光控开关

1.电路

ov

2.工作原理：当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小,三极管不导通,

发光二极管或继电器所在的回路相当于题路，即发光二极管不工作;继电器处于

常开状态，小灯泡L不亮。

当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变太，三极管导迪，且获得足够的

基极电流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小

灯泡L。

［判一判］

（1）光敏电阻本身就是一—种传感器。（）

（2）光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化，光照越强电阻越小。（）

（3）热敏电阻是用金属钳制成的，它对温度的感知很灵敏。（）

（4）半导体制成的热敏元件温度升高时电阻大幅度变化。（）

（5）金属热电阻的温度升高时电阻升高。（）

（6）应变式力传感器可以用来测量重力，也可用来测牵引力。（)

1.将一只光敏电阻接到多用电表的两端，电表置于倍率为100的欧姆挡。

分别记录用手掌遮光、用室内自然光照射和用阳光直射时的阻值，三种情况下光

敏电阻的阻值有何变化？由此可以得出什么结论？

2.换用一只普通的电阻，小心地把电阻器表面的漆层除去一些，使里面的

导电膜露出来接受光照。重做上述实验，结果相同吗？

提示：1.实验现象：同一只光敏电阻，用多用电表测量其阻值，用手掌遮光

时，电阻值较大，在室内自然光的照射下电阻值变小，改用阳光直接照射时，电

阻值变得更小。

实验结论：通过上述实验我们得到：光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明

显减小。

2.实验现象：普通电阻在不同光照的情况下其限值是相同的。

实验结论：普通电阻的阻值不受光照强度的影响，而光敏电阻的阻值随光照

强度的变化发生明显的变化。

重I难I整I合

I.光敏电阻是用半导体材料制成。

2.特点是在被光照射时电阻会发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电

阻增大。

3.作用是把光学量转换为电学量。

典I例I引I领

【例1】如图所示，将多用电表两表笔接在一光敏电阻两端，

将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针的\

偏角为仇现用手掌挡住部分光线，表针的偏角为%则可判断（）（］

A.夕=夕B.夕V。

_L_T2Z］-4-

C.6'>eD.不能确定

［解析］光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小，用手掌挡住部分光线,

阻值变大，指针自左向右偏转角度变小。

［答案］B

［针对训练1］（多选）计算机光驱的主要部分是激光头,它可以发射脉冲激光

信号，激光扫描光盘信息时，激光头利用光敏自动计数器将反射回来的脉冲信号

传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息。光敏电阻自动计数器的示

意图如图所示，其中r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（）

疆入罚工激光

A.当有光照射R时，处理系统获得高电压

B.当有光照射用时，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：选AD。当有光照射R时，R的电阻减小，处理系统获得高电压;

信号处理系统每获得一次高电压就计数一次。

［针对训练2］（多选）如图所示，Ri、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光

敏电阻，当照射光强度增大时（）

A.电压表的示数增大

B.R2中电流减小

C.小灯泡的功率增大

D.电路的路端电压增大

解析：选ABC。光的强度是被测量，光敏电阻R3为光敏元件，同时也是转

换器件，当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，Ri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，A正确，D错误；由路端电压减小，而Ri两端电压增大，可知

R2两端电压必减小，则心中电流减小，B正确；结合干路电流增大知流过小灯

泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C正确C

探究二热敏电阻

【问题导引】

如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表欧姆表

%

的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时

表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用

吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？

提示：由于酒精蒸发，热敏电阻刈温度降低，电阻值增大，表针将向左偏;

用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻Rr温度升高，电阻值减小，表针将向

右偏。

重I难I整I合

含有热敏电阻电路的动态分析步骤

(1)明确热敏电阻的阻值随温度的增加是增大还是减小。

(2)分析整个回路的电阻、电流的增减。

(3)分析部分电路的电压、电流如何变化。

典I例I引I领

［例2］某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的

/—U,关系曲线图如图甲所示。将该热敏电阻连入如图乙所示电路中，电源电压

恒为9V,电流表读数为70mA,定值电阻Ri=250Q。由热敏电阻的/-M关系

曲线可知，热敏电阻两端的电压为V；电阻型的阻值为

［解析］电阻Ri两端的电压为9V,电阻Ri=250Q,故流过Ri的电流入=

U_9

A=0.036A,所以流过热敏电阻的电流〃=/o—力=0.07A-0.036A=

R1250

0.034Ao由热敏电阻的/一口关系图线可知当/=0.034A=34mA时，t/r=5.4V,

I、U~Ut9-5.4

所以Rz=7=f)()14§2,105.9Qo

［答案］5.4105.9

［针对训练3］如图所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中,

当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝，发现小灯泡亮度变

化是变暗，发生这一现象的主要原因是（）

A.小灯泡的电阻发生了变化

B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化

C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化

D.电源的电压随温度发生了变化

解析：选C。电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻丝的电阻也增大,

电路中电流减小，根掂尸=「R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗。

［针对训练4］如空所示，R为定值电阻，改为负温度系数的热敏电阻，L

为小灯泡，当温度降低时，下列描述正确的是（）

A.A两端的电压增大

B.电流表的示数增大

C.小灯泡的亮度变强

D.小灯泡的亮度变弱

解析：选C。凡与灯L并联后与R1申联，与电源构成闭合电路。当温度降

低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电路中电流减小，外电路电压增大，电

流表读数减小，岛两端电压减小，灯L电压增大，灯泡亮度变强，故C正确。

探究三自动控制电路的分析与设计

重I难I整I合

设计自动控制电路时，一般按照以下的思路进行

(1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路。

控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电

器和导线等组成；工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线

等组成。这两个电路相互独立，又通过电磁继电器相关联，电磁继电器实际上是

工作电路的开关。

(2)分析自控电路的合理性

电路设计完成后，要对它的合理性进行分析，用光照射光敏电阻或对热敏电

阻加热，检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。例如，自控路灯电路的

设计要求是白天切断工作电路，使路灯熄灭，晚上接通工作电路，使路灯发光。

典I例I引I领

【例3】如图所示，图甲为热敏电阻的R—f图像，图乙为用此热敏电阻A

和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为150C。当线圈

中的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电

池的电动势E=6V,内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。

甲乙

(1)应该把恒温箱内的加热器接在_______端(选填“A8”或"CZT)；

(2)如果要使恒温箱内的温度保持100℃,可变电阻R的值应调节为

________Qo

［解析］(1)当温度降低时，热敏电阻的阻值增加，继电器线图中的电流减小，

衔铁被弹开，将接入加热电路中，故恒温箱内的加热器接在A3端。

(2)由甲图查出热敏电阻在7=10()℃时，7?=50Qo

设Ri为继电器线图的电阻

则继电器电路中电流在/=1()()℃时,

六E

R+R'+Ri

代入数据得R'=100C。

［答案］(1)AB(2)100

［针对训练5］为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。

光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元

件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)o某光敏电阻R?

在不同照度下的阻值如下表：

照度(1X)0.20.40.60.81.01.2

电阻(kC)754028232018

(1)根据表中数据，请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并

说明阻值随照度变化的特点。

电Ri/m

80

70

60

50

40

30

20

10O

(2)如图所示，当】、2两端所加电压上升至2V时,控制开关自动启动照明

系统。请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当天色

渐暗照度降低至L0lx时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。(不考虑

控制开关对所设计电路的影响)

提供的器材如下：

光敏电阻RP(符号&-，阻值见上表)；

直流电源旦电动势3V,内阻不计)；

定值电阻：Ri=10kdR?=20kQ,R3=4Ok0(限选其中之一并在图中标出);

开关S及导线若干。

解析：(1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图甲所示。特点：光敏电阻

的限值随照度的增大非线性减小。

电阻ZkQ

（2）控制开关自动启动照明系统，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照

度降低至1.0lx时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20k。，两端电压为2V,

电源电动势为3V,所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10kQ,即选用

Ri,电路原理图如图乙所示。

乙

答案：见解析

..............港生楚不分层演练♦素养达标勺拽日立..........

[A级——基础达标练]

1.（多选）对负温度系数的热敏电阻，正确的叙述是（）

A.受热后，电阻随温度的升高而迅速减小

B.受热后，电阻基本不变

C.热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高

D.以上说法都不对

解析：选AC。负温度系数的热敏电阻随温度的升高其电阻值减小，热敏电

阻可以用来测量很小范围内的温度，反应快，而且精确度高。

2.（多选）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

解析：选BC。热敏电阻可以把温度转化为电学量，霍尔元件可以把磁感应

强度转化为电压这个电学量，B、C正确；发光二极管具有单向导电性，可以发

光，但不能做传感器，A错误；干电池是电源，不是传感器，D错误。

3.观察电阻R随温度变化情况的示意图如图所示。现在把杯中的水由冷水换

为热水，关于欧姆表的读数变化情况，说法正确的是（）

A.如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显闺他欧姆表

B.如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显

C.如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化非常明显

D.如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化不明显

解析：选C。若为金属热电阻，温度升高后，电阻变大，但由于金属热电阻

灵敏度较低，故欧姆表读数变大且不明显，A、B错误；若为用半导体材料制作

的热敏电阻，由于热敏电阻的灵敏度较高，读数将明显变化，C正确，D错误。

4.（多选）用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器如图所示，

下列说法中正确的是（）

LDR（光敏电阻）

A.严重污染时，LDR是高电阻

B.轻度污染时，LDR是高电阻

C.无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定

D.该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响

解析：选AD。严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻

较大，A正确，B错误；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化,

C错误；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D正确。

5.一火警报警装置的一部分电路如图甲所示，其中心是半导体热敏电阻（传

感器），它的电阻随温度7变化的关系如图乙所示，该电路的输出端。、方接报

警器，当传感器所在处出现火情时,通过电流表的电流/和。、〃两端电压U与

出现火情前相比（）

A./变大，U变大B./变小，U变小

C./变小，U变大D./变大，。变小

解析：选D。当传感器所在处出现火情时，温度升高，则电阻R2的阻值减

小，故外电阻减小，干路电流增大，内电压、R4两端的电压均增大，故Q、b两

端电压减小；并联电路的电压减小，通过R3的电流减小，而总电流增大，所以

&上通过的电流增大，故D正确。

6.（多选）电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置。由于电容

器的电容。取决于极板正对面积S、极板间距离（1以及极板间的电介质这几个因

素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变

化，如图所示的是三个电容式传感器的示意图，关于这三个传感器的作用，下列

说法正确的是（）

一固定电极

中可动电极

待测压力产

丙

A.甲图的传感器可以用来测量角度

B.乙图的传感器可以用来测量液面的高度

C.丙图的传感器可以用来测量压力

D.这三个传感器都是利用改变极板间的正对面积来改变电容的

解析：选ABC。甲、乙、丙中的电容器分别与0、h、产有关，均能测量对

应的物理量，甲、乙是通过改变极板间的正对面积改变电容，丙是通过改变极板

间的距离改变电容。

7.如图所示的是某种汽车上的一种自动测定油箱内油面高度的装置，R是

滑动变阻器，它的金属滑片是杠杆的一端，从油量表（由电流表改装而成）指针所

指的刻度，就可以知道油箱内油面的高度，当滑动变阻器的金属滑片向下移动时,

则（）

K'

A.电路中的电流减小,油箱油面降低

B.电路中的电流减小,油箱油面升高

C.电路中的电流增大,油箱油面降低

D.电路中的电流增大，油箱油面升高

解析：选D。当油箱油面升高时，由于浮力作用使金属滑片向下移动，回路

电阻减小，电流增大，故D正确。

8.（多选）有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将欧姆表

I------@-------1

这三只元件分别接入如图所示电路中的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（）Ai

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匕，欧姆表示数相同，这只元件

一定是定值电阻

解析：选AC。一般定值电阻的阻值不会随光照强度或温度的变化而变化太

大；对于热敏电阻来说，热敏电阻的阻值会随温度的升高而逐渐变小，它对温度

的反应是十分灵敏的；对于光敏电阻来说，它的阻值随光照强度的变化而变化，

当光照强度增强时光敏电阻的电阻值会随之而减小。本题是采用用黑纸包裹和放

入热水中两个条件来改变电阻周围的环境的。不管放入热水中还是用黑纸包裹，

一般电阻的阻值都不会发生太大变化；若电阻是光敏电阻，则当用黑纸包裹电阻

时欧姆表的示教会有明显的改变；而当电阻是热敏电阻时，当把电阻放在热水中

时，电阻值会发生明显的变化，A、C正确。

[B级——能力增分练]

9.某同学设计的散热排风控制电路如图所示，M为排风扇，R是可变电阻，

R。是半导体热敏电阻，其阻值随温度升高而减小。控制开关电路具有下列特性：

当A点电势夕八＜90时，控制开关处于断路状态；当犯时，控制开关接通电

路，M开始运转。下列说法中正确的是（）

+U

热敏电阻

R。

A制开关P

中

A.环境温度升高时，A点电势升高

B.可变电阻R阻值调大时，A点电势降低

C.可变电阻R阻值调大时，排风扇开始工作的临界温度升高

D.若用金属热电阻代替半导体热敏电阻，电路仍能正常工作

解析：选A。当环境温度升高时，半导体热敏电阻Ro的阻值随温度升高而

减小。则电路中的电流增大，所以4点的电势升高，故A正确；可变电阻R阻

值调大时，导致电路的电流减小，则4点也势升高，故B错误；当A点电务他

Vpo时，控制开关处于断路状态；当心，0）时，控制开关接通电路，M开始运

转。工作临界温度没变，而是提前被接通，故C错误；若用金属热电阻代替半

导体热敏电阻，当温度升高时，其阻值增大，导致A点电势降低，则开关会处

于断开状态，所以起不到散热排风的作用，故D错误。

10.（多选深居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控

装置如图所示，R为光敏电阻，R2为定值电阻，八、B接监控

装置。则（）

A.当有人通过而遮蔽光线时，A、8之间电压升高

B.当有人通过而遮蔽光线时，A、8之间电压降低

C.当仅增大也的阻值时，可增大4、8之间的电压

D.当仅减小心的阻值时，可增大4、8之间的电压

解析：选BC。Ri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，R的阻值变大，回路中的电流/减小，4、8间的电压U=/R2减小，故

A错误，B正确；由闭合电路欧姆定律得U=E-7（Ri+r）,当仅增大后的阻值

时，电路中的电流减小，A、8间的电压U增大，故C正确；当仅减小&的阻

值时，电路中的电流增大，4、B间的电压U减小，故D错误。

11.（多选）在如图甲所示的电路中，RT是半导体热敏电阻，其电阻刈随温

度7变化的关系图像如图乙所示，当RT所在处温度升高时，下列关于通过理想

电流表的电流人间电压U和电容器电荷量〃的说法正确的是（）

R，

A./变大，。变大B./变大，。变小

C.U变小，q变小D.U变大，g变大

解析：选BC。当RT所在处温度升高时，Rr减小，并联部分电阻减小，总

电阻减小，根据闭合电路欧姆定律可知：干路电流增大，路端电压U变小，RT

和此并联的电压。并=七一/虱Ri+r),/总增大，E、Ri、厂均不变，则。并减小，

通过&的电流〃减小，通过电流表的电流/=〃一〃，/总增大，A减小，则/变

大。所以/变大，U变小。根据公式C=£,在电容不变的情况下，电压减小，

故电容器电荷量减小，故R、C正确。

12.温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变

化的特性来工作的。如图甲所示的是某装置中的传感器工作原理图，已知电源的

电动势E=9.0V,内电阻不计；G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为热

敏电阻，其阻值随温度的变化关系如图乙所示。闭合开关S,当R的温度等于

2()℃时，电流表示数j=2mA；当电流表的示数〃=3.6mA时，热敏电阻的温

度是()

A.60℃B.8()℃

C.100℃D.120℃

解析：选D。由题图乙可知，当R的温度等于20c时，热敏电阻的阻值照

EE

=4kQ,则由＜=D_LD可得氏=可5kQ,当电流/2=3.6mA时，由.丁下

K\I/\gr\2I/vg

可得R2=2kC,结合题图乙知此时热敏电阻的温度为120℃0

13.如图甲是某金属材料制成的电阻R随摄氏温度/变化的图像，图中R)

表示该