高中物理：传感器知识要点.pdf

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高中物理：传感器知识要点

要点一、传感器
1．现代技术中，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。
把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。

2．传感器原理
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
通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放
大后，再送给控制系统产生各种控制动作。传感器原理如下图所示。

3．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。
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。

要点二、 光敏电阻
光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量，一般随光照的增强电
阻值减小。
要点诠释：光敏电阻是用半导体材料制成的，硫化镉在无光时，载流子（导电电荷）极
少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。

要点三、 热敏电阻和金属热电阻
1．热敏电阻
热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。如图为某一热敏电阻的电阻—
温度特性曲线。

要点诠释：
（1）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（）热敏电阻器；电
阻值随温度上升而减小的是负温度系数（）热敏电阻器。
（2）热敏电阻器的应用十分广泛，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利用不同媒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时器。

2．金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属也可以制作温度传感器，称为金属
热电阻。
要点诠释：
热敏电阻或金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，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高。

要点四、电容式传感器 霍尔元件
1．电容式传感器
电容器的电容决定于极板正对面积、板间距离以及极板间的电介质这几个因素，如果某
一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变
化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，作这种用途的电容器称为
电容式传感器。
如图甲所示是用来测定角度的电容式传感器。当动片和定片之间的角度发生变化时，
引起极板正对面积的变化，使电容发生变化，知道的变化，就可以知道的变化情况。

如图乙所示是测定液面高度 h 的电容式传感器。在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放
入导电液体中。导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质。
液面高度 h 发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容 C 发生变化。知道 C 的变化，就可
以知道 h 的变化情况。
如图丙所示是测定压力，的电容式传感器，待测压力 F 作用于可动膜片电极上的时
候，膜片发生形变，使极板间距离 d 发生变化，引起电容 C 的变化。知道 C 的变化，就可以
知道 F 的变化情况。
如图丁所示是测定位移 x 的电容式传感器。随着电介质进入极板间的长度发生变化，
电容 C 发生变化。知道 C 的变化，就可以知道 x 的变化情况。

2．霍尔元件
（1）．如图所示，在一个很小的矩形导体（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。 : .

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 ，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。

（3）．霍尔元件的工作原理

要点五、力传感器
1．应变式力传感器
（1）组成：由金属梁和应变片组成。

（2）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，左梁的自由端施力 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，下表面电阻变小。F 越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化越大。如果让应变
片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下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。外力越大，输出的电压差值也就越大。
2．测定压力的电容式传感器

如图所示，当待测压力 F 作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，从而引起电容
的变化，如果将电容器与灵敏电流表、电源串联，组成闭合电路，当 F 向上压膜片电极时， : .
电容器的电容将增大，电流表有示数。

要点六、声传感器的应用——话筒
1．话筒的作用
把声音信号转换为电信号。
2．电容式话筒

（2）优点：保真度好。
3．驻极体话筒
（1）极化现象：将电介质放人电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的
现象。
（2）驻极体：某些电介质在电场中被极化后，去掉外加电场，仍然会长期保持被极化的
状态，这种材料称为驻极体。
（3）原理：同电容式话筒，只是内部感受声波的是驻极体塑料薄膜。
（4）特点：体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压低。

要点七、温度传感器的应用——电熨斗
1．温度传感器：
由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把热信号转换
为电信号进行自动控制。
2．电熨斗的构造
如图所示。 : .

3．电熨斗的自动控温原理
内部装有双金属片温度传感器，如图所示，其作用是控制电路的通断。
常温下，上、下触头应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上
部金属膨胀大，下部金属膨胀小，双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加
热。温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温
度的作用。
注意：熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升
降螺丝，升降螺丝带动弹性铜片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目
的。

4．传感器应用的一般模式

5．动圈式话筒的工作原理
如图所示是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。当声波使金
属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。音圈在永磁铁的磁场里振
动，其中就产生感应电流（电信号）。感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声
波决定，这个电信号经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。