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第 4 讲 传感器
实验：利用传感器制作简单的自动控制装置
目标要求 1.掌握制作传感器常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、
霍尔元件的基本特性及工作原理.2.探究传感器的工作原理及传感器应用的一般模式.3.能利用
传感器制作简单的自动控制装置．
考点一 常见的传感器
一、传感器及其工作原理
1．传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们
按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常转换成的可用信号是电压、电
流等______量，或转换为电路的________．把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测
量、________、处理和________．
传感器应用的一般模式如图所示：
2．传感器的核心元件
(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分．
(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成________________的部分．
(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分．
3．传感器的分类
工作原理 举例
利用物质的物理特性或物理效应感知 力传感器、磁传感器、声传
物理传感器
并检测出待测对象信息 感器等
利用电化学反应原理，把无机或有机
化学传感器 离子传感器、气体传感器等
化学物质的成分、浓度转换为电信号
利用生物活性物质的选择性来识别和 酶传感器、微生物传感器、
生物传感器
测定生物化学物质 细胞传感器等二、常见敏感元件
1．光敏电阻
(1)特点：光照越强，电阻________．
(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能________；
随着光照的____________，载流子增多，导电性________．
(3)作用：把________________这个光学量转换为________这个电学量．
2．热敏电阻和金属热电阻
(1)热敏电阻
热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻________，如图
甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线．
(2)金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而________，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电
阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线．
(3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．
注意：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(PTC)热敏电阻器；电
阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．
3．电阻应变片
(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体________这个力学量转换为________这个电
学量．
(2)电子秤的组成及敏感元件：由________和电阻________组成，敏感元件是________．
(3)电子秤的工作原理
⇒⇒⇒
1．传感器是把非电学量转换为电学量的元件．( )
2．传感器只能感受温度和光两个物理量．( )
3．随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大．( )
4．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转换为电压信号．( )
霍尔元件的应用
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件．一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等．
(1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄
片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使 M、N间出现
电压(如图所示)．
(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡．
(3)霍尔电压：U ＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中U 与B成正比，所以霍尔元件
H H
能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．
例1 (2022·重庆卷·11)某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化
关系．实验电路如图所示，实验设定恒定电流为50.0 μA，主要实验器材有：恒压直流电源
E、加热器、测温仪、热敏电阻R 、可变电阻R、电流表A、电压表V.
T 1
(1) 用 加 热 器 调 节 R 的 温 度 后 ， 为 使 电 流 表 的 示 数 仍 为 50.0 μA ， 须 调 节
T
________________(选填一种给定的实验器材)．当R 两端未连接电压表时，电流表示数为
T
50.0 μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，须将原电压表更换为内阻____________(选
填“远大于”“接近”或“远小于”)R 阻值的电压表．
T
(2)测得R 两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过
T
程中，R 的阻值随温度的平均变化率是________ kΩ·℃－1(保留2位有效数字)．
T
例2 为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻
控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强
照度越大，照度单位为：勒克斯(lx)．(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时，控制开
关自动启动照明系统．要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R ＝
1
________ kΩ.
(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，电
源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱(0～99 999 Ω)．实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S ，将
1
S 与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丁为实验时电阻箱的阻值，其
2
读数为________ kΩ；然后将S 与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流表的示
2
数恰好为I，则光敏电阻的阻值为________ kΩ(结果均保留3位有效数字)．
例3 (多选)如图是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，
对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证U 随B的变化情况．以下说
H
法正确的是(工作面是指较大的平面)( )
A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，U 将变大
H
B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，U 将发生变化
H
听课记录：______________________________________________________________
________________________________________________________________________考点二 实验：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．实验目的：了解门窗防盗报警装置，会组装门窗防盗报警装置．
2．电路如图所示．
3．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，磁体M靠近干簧管
SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈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，显示电路处于正常工作状态．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与常闭触点b接通，
蜂鸣器H发声报警．干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自
动的双向开关．
4．实验器材
干簧管SA、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻R、小磁
体．
5．实验步骤
(1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作．用磁体直接靠近干簧管，观察簧
片能否正常工作．
(2)确定各元件可以正常工作后，按照电路图连接电路．
(3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象．
二、光控开关
1．实验目的：了解光控开关电路及控制原理，会组装光控开关．
2．电路如图所示．
3．工作原理：当环境光比较强时，光敏电阻R 的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或
G
继电器所在的回路相当于断路，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R 的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，
G
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.
4．实验器材发光二极管LED、晶体三极管VT、可调电阻R 、限流电阻R 、光敏电阻R 、集成电路实
1 2 G
验板、直流电源、导线若干、黑纸、小灯泡L.
5．实验步骤
(1)按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源．
(2)让光敏电阻R 受到白天较强的自然光照射，调节电阻R 使发光二极管LED或小灯泡L
G 1
刚好不发光．
(3)遮挡R ，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光．
G
(4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭．
6．注意事项
(1)安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装．
(2)光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接．
(3)如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察．
例4 在实际应用中有多种自动控温装置，以下是其中两种控温装置：
(1)图(a)为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R ＝2 kΩ，R ＝1.5 kΩ，R ＝4 kΩ，R为热敏电
1 2 3 t
阻，其电阻随温度变化的图像如图(b)所示．当a、b两点电势φ<φ 时，电压鉴别器会令开
a b
关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当φ≥φ 时，电压鉴别器会使S断开，
a b
停止加热，则恒温箱内的稳定温度为______ ℃，恒温箱内的电热丝加热时R的取值范围为
t
________________________．
(2)有一种由PTC元件做成的加热器，它产生的焦耳热功率P 随温度t变化的图像如图(c)所
R示．该加热器向周围散热的功率为P ＝k(t－t)，其中t为加热器的温度，t 为室温(本题中取
Q 0 0
20 ℃)，k＝0.1 W/℃.
当P ＝P 时加热器的温度即可保持稳定，则该加热器工作的稳定温度为________ ℃；
R Q
某次工作中，该加热器从室温升高至稳定温度的过程中，下列温度变化过程用时最短的是
________(填选项前的字母序号)．
A．20～24 ℃ B．32～36 ℃
C．48～52 ℃ D．60～64 ℃
例5 为了建设安全校园，某校物理教师带领兴趣小组的学生，利用光敏电阻和电磁继电
器，为学校教学楼内所有楼梯口的照明灯安装了亮度自动控制装置．如图甲所示为他们设计
的原理图，R 为光敏电阻(阻值随亮度的增加而减小)，R 为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁
0 1
由软铁(容易磁化和消磁)制成，R 为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关．
2
(1)为使楼内亮度降低到一定程度照明灯自动点亮，亮度升高到一定程度照明灯自动熄灭，
单刀双掷开关应置于________(选填“a”或“b”)．
(2)为了提升校园安全系数，使照明灯在不太暗的时候就点亮，滑动变阻器接入电路的电阻
应________(选填“调大”或“调小”)．
(3)已知直流电路中的电流达到10 mA时电磁继电器的衔铁正好会被吸下，R 从正午最亮到
0
夜晚最暗的阻值变化范围为50～200 Ω，R 约为5 Ω，直流电源电动势E＝3 V，内阻r约为
2
1 Ω，现有三个最大电阻阻值分别为100 Ω、300 Ω、3 000 Ω的滑动变阻器，为实现调控目
标R 最好应选择最大阻值为________ Ω的滑动变阻器．
1
(4)兴趣小组同学想要对原设计进行改进，使亮度降低到一定程度触发衔铁吸下，请你在图
乙的虚线框中用笔画线代替导线重新连接直流电路中 c、d、e、f、g、h各点，以实现这一
改进目标．
