传感器的应用

第5讲 传感器的简单应用

一、传感器的含义：

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，或转换为电路的通断。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。

传感器一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。

电学量 电物理→ 敏感元件 转换电路 转换器件 非→ → →

常见的传感器有：光学传感器、热学传感器、加速度传感器、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。

二、常见的传感器元件：

（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。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。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。

（2）金属热电阻金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器。它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 R （3）热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度升高电阻减小，如图－1为某一热敏电阻－温度特性曲线。热敏电阻的灵敏度较好。与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

（4）电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。 T 图0 （5）霍尔元件能够把磁感强度这个磁学量转换为电压这个电学量 三、传感器的简单应用 1、力电传感器

力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。 2、 热电传感器（温度传感器）

热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的升高减小（金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大）的原理制成的, 它能用把温度这个热学量转换为电压这个电学量。如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等。 3、光电传感器

光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。

光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小的。光敏电阻能够把光强度这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。

自动冲水机、路灯的控制、鼠标器、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。 4、磁电传感器——霍尔元件的应用

霍尔元件能够把磁感强度(磁学量)转换为电压(电学量)。

霍尔元件：如图－2所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极

F I C、D、E、F，就制成为一个霍尔元件。霍尔电压：UHkIB 其中k为

dC D 比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒定，则电压UH的变化就与B成正比，因

E B 此，霍尔元件又称磁敏元件。

UH 霍尔效应的原理：外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力，在导体板的一侧

图用心 爱心 专心

1

聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向的电场；横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压. 设图中CD方向长度为L2，则：

qUHL2qvB根据电流的微观解释 I＝nqSv ，整理后，得：UHIBnqd

令 k1 ，因为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，

nq所以有：UHkIBd

1、 如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

2、 热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值约4～5Ω。热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其它备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶（图中未画出）、电源（3V、内阻可忽略）、直流电流表（内阻约1Ω）、直流电压表（内阻约5KΩ）、滑动变阻器（0～20Ω）、开关导线若干。

（1）在图8（a）的方框画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。 （2）根据电路图，在图8（b）的实物图上边线。 （3）简要写出完成接线后的主要实验步骤_________________ [答案]（1）如答图1所示。 （2）如答图2所示。

（3）①往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出温度计值； ②调节滑动变阻器，快速测出几组电流表和电压表的值；

③重复①～②，测量不同温度下的数据； ④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线。

3、演示位移传感器的工作原理如下图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆p，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想的，则下列说法正确的是（ ）

A.物体M运动时，电源内的电流会发生变化 B.物体M运动时，电压表的示数会发生变化 C.物体M不动时，电路中没有电流 D.物体M不动时，电压表没有示数

4、传感器是把非电学量（如高度、温度、压力等）的变化转换成电学量变化的一种元件，它在自动控制中有着广泛的应用．如图是一种测定液面高度的电容式传感器的示意图．金属棒与导电液体构成一个电容器，将金属棒和导电液体分别与直流电源的两极相连接，从电容C和导电液与金属棒间的电压U的变化就能反映液面的升降情况，即

①电源接通后，电容C减小，反映h减小． ②电源接通后，电容C减小，

用心 爱心 专心

2

金属棒

电介质 电介质

h 导电液

反映h增大．

③电源接通再断开后，电压U减小，反映h减小． ④电源接通再断开后，电压U减小，反映h增大． 以上判断正确的是（ ）．

A．①③ B．①④ C．②③ D．②④ 5、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

6.吉他以其独特的魅力吸引了众多音乐爱好者，电吉他与普通吉他不同的地方是它的每一根琴弦下面安装了一种叫做“拾音器”的装置，能将琴弦的振动转化为电信号，电信号经扩音器放大，再经过扬声器就能播出优美音乐声。如图是拾音器的结构示意图，多匝线圈置于永久磁铁与钢制的琴弦（电吉他不能使用尼龙弦）之间，当弦沿着线圈振动时，线圈中就会产生感应电流。关于感应电流，以下说法正确的是（ ）

A．琴弦振动时，线圈中产生的感应电流是恒定的

B．琴弦振动时，线圈中产生的感应电流大小变化，方向不变 C．琴弦振动时，线圈中产生的感应电流大小不变。方向变化

D．琴弦振动时，线圈中产生的感应电流大小和方向都会发生变化 7．下列说法中正确的是

A. 机械式鼠标器中光传感器就是两个红外接收管，它的作用就是光信号（红外线脉冲）转换成电信号（电脉冲）

B. 机械式鼠标器中光传感器是由两个滚轴，两个码盘，两个红外线发射管（LED）和两个红外接收管组成的

C. 火灾报警器中光传感器是光电三极管，它的作用也是把光信号转换成电信号 D .火灾报警器是利用烟雾对光的散射作用来工作的

甲 乙

8、现代汽车在制动时，有一种ABS系统，它能阻止制动时车轮抱死变为纯滑动。这种滑动不但制动效果不好，而且易使车辆失去控制。为此需要一种测定车轮是否还在转动的装置。如果检测出车轮不再转动，就会自动放松制动机构，让轮子仍保持缓慢转动状态。这种检测装置称为电磁脉冲传感器，如图甲，B是一根永久磁铁，外面绕有线圈，它的左端靠近一个铁质齿轮，齿轮与转动的车轮是同步的。图乙是车轮转动时输出电流随时间变化的图象。 （1）说明为什么有电流输出？

（2）若车轮转速减慢了，图象会变成怎样？（画在图乙上） 答案：（1）当齿轮上的齿靠近线圈时，由于磁化使永久磁体磁场增强，产生感应电流，齿轮离开时产生

反方向的感应电流。

（2）车轮转速减慢，电流变化频率变小，周期变大，电流值变小。如图所示。

9、唱卡拉OK用的话筒，内有传感器。其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。下列说法正确的是（ ）

用心 爱心 专心

3

A.该传感器是根据电流的磁效应工作的 B.该传感器是根据电磁感应原理工作的

C.膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变 D.膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势 10、利用传感器和计算机可以测量快速变化的力的瞬时值，如图所示是用这种方法获得的弹性细绳中拉力 F 随时间t变化的图线．实验时，把小球举到悬点O处，然后放手让小球自由落下，由图线所提供的信息可以判断 ( )

O

Fm F 0 t1 t2 t3

t4

t5

12A．绳子的自然长度为gt1 B．t2时刻小球的速度最大

2t C．t1时刻小球处在最低点 D．t1时刻到t2时刻小球的速度先增大后减小

11、下列说法正确的是 ( ) A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号

B．楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮，说明它的控制电路中只有声传感器 C．电子秤所使用的测力装置能将受到的压力大小的信息转化为电信号 D．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

12、压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图(a)所示．将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图(b)所示．下列判断正确的是( ) A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动 B．从t1到t2时间内，小车做加速度变大的直线运动 C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动 D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动

(aA E R 压敏电阻 I t

t(b

tt13、如图所示为实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在小车上，C为小车的车轮．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B接收并转换成电信号，由电路记录和显示．若实验显示单位时间的脉冲数n，累积脉冲数为N，则要测

出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是＿＿＿＿＿＿＿；小车速度的表达式为V＝＿＿＿＿＿＿；行程的表达式为s＝＿＿＿＿＿＿＿＿．

答案: 车轮的半径R和齿轮的齿数P：2πRn/P 2πRN/P 14、现有热敏电阻、电路丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和若干导线.如图所示，试设计一个控温电路.要求温度低于某一温度时，电路丝自动通电供热，超过某一温度时，又自动断电，根据电路图说明工作原理.

15、如图是电熨斗的结构图，下列说法正确的是 ( )

A．双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属

B．常温下，上下触点接触；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离

C．需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移

D．双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断 16、氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化．在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻， 这样，电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察电压表指针就能判断一氧氧化锡 电导 化碳浓度是否超标．有一种氧化锡传感器，其技术资料中给传感器 保护电阻 出的是电导(即电阻的倒数)一CO浓度曲线，如图乙所示．在

用心 爱心 专心

4

R0 V 甲

0 乙

CO浓度

下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图象中正确的是 ( )

c c c c

0 0 0 0 U0 U0 U0 U0 A B C D

17、有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线所示，它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R（一个阻值可随压力大小而变化的电阻器）、显示体重的仪表G（其实质是电流表）。其中AO：BO=5：1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示： 压力F/N 电阻R/ 0 300 50 270 100 240 150 210 200 180 250 150 300 120 „„ „„ 设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.68V，则： （1）利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式； （2）该秤零刻度线（即踏板空载时的刻度线）应标在电流表刻度盘多少毫安处？ A （3）如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20mA，这个人的体G 重是多少？ 压力传感器 [答案]（1）R=300－0.6F（）； （2）15.6mA （3）550N.

踏板 O B t 18、压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小。某实验小组在升降机水平地面上利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置。其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻、定值电阻R、电流显示器、电源E连成电路，在压敏电阻上放置一个绝缘重物。0～t1时间内升降机停在某一楼层

电流显示器

i t2 乙

甲

升降器

绝缘重物 压敏电阻

0

t1 t3 t4 处，t1时刻升降机开始运动，从电流显示器中得到电路中电流i随时间t变化情况如图乙所示。则下列判断正确的是 ( )

A．t1~t2时间内绝缘重物处于超重状态 B．t3~t4时间内绝缘重物处于失重状态 C．升降机开始时可能停在10楼，从t1时刻开始，经向下加速、匀速、减速，最后停在1楼

D．升降机开始时可能停在1楼，从t1时刻开始，经向上加速、匀速、减速，最后停在10楼

19、将如图所示装置安装在沿直轨道运动的火车车厢中，使杆沿轨道方向固定，就可以对火车运动的加速度进行检测。闭合开关S，当系统静止时，穿在光滑绝缘杆上的小球停

O 在O点，固定在小球上的变阻器滑片停在变阻器BC的正中央，此时，电压表指针指在表盘刻度中央。当火车在水平方向有加速度时，小球在光滑绝缘杆上移动，滑片P随之在变阻器上移动，电压表指针发生偏转。已知，P V C B 当火车向左加速运动时，电压表的指针向右偏。则 ( )

A．电压表指针向左偏，说明火车可能在向右做加速运动 S B．电压表指针向右偏，说明火车可能在向右做加速运动

O′

C．电压表指针向左偏，说明火车可能在向右做减速运动 ω A D．电压表指针向左偏，说明火车可能在向左做加速运动

20、角速度计可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度,其结构如图所示。

O 当系统绕轴OO′转动时，元件A发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、

输出电压U 卫星等的制导系统的信息源。已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自

C B 用心 爱心 专心 5

S

然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计。滑动变阻器总长也为l ，电阻分布均匀，系统静止时P在B点，当系统以角速度ω转动时，则 ( ) A．电路中电流随角速度的增大而增大 B．电路中电流随角速度的减小而减小 C．弹簧的伸长量为x=mωl/（k–mω2)

D．输出电压U与ω的函数式为 U= Emω2/（k–mω2)

21、 2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”．基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用．在下列有关其它电阻应用的说法中．错误的是 ( )

A．热敏电阻可应用于温度测控装置中 B．光敏电阻是一种光电传感器

C．电阻丝可应用于电热设备中 D．电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用． 22、图1是某同学设计的电容式速度传感器原理图，其中上板为固定极板，下板为待测物体，在两极板间电压恒定的条件下，极板上所带电量Q将随待测物体的上下运动而变化，若Q随时间t的变化关系为Qb（a、b为大于零的常ta数），其图象如图2所示，那么图3、图4中反映极板间场强大小E和物体速率v随t变化的图线可能是 （ ）

A．①和③ B．①和④ C．②和③ D．②和④ 23、如图所示是工业生产中大部分光电控制设备用到的光控继电器的示意图，它是由电源、光电管(A、K)、放大器、电磁继电器(MN)等几个部分组成，当用绿光照射光电管的阴极K时，可以发生光电效应，则下列说法中正确的是( )

A.图中a端为电源的正极

B.放大器的作用是将光电管中产生的电流放大后，使铁芯M磁化，将衔铁N吸住 C.若增大绿光的照射强度，光电子最大初动能增大

D.改用蓝光照射光电管的阴极K时，电路中仍有光电流

24、随着生活质量的提高，自动干手机已经进入家庭．洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近自动干手机能使传感器工作，是因为（ ）

A . 改变了湿度 B. 改变了温度 C. 改变了磁场 D. 改变了电容 25、传感器是一种采集信息的重要器件，图是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路，当待测压力为F作用于可动膜片电极上时，以下说法中正确的（ ）

A． 若F向上压膜片电极，电路中有从a和b的电流 B． 若F向上压膜片电极，电路中有从b和a的电流 C． 若F向上压膜片电极，电路中不会出现电流 D． 若电流表有示数，则说明压力F发生变化

26、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，激光头利用光敏电阻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，处理系统获得高电压 B．当有光照射R2时，处理系统获得低电压

用心 爱心 专心

6

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 27、如图是一火警报警装置的一部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a，b之间接报警器．当传感R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是（ ） A．I变大，U变小 B．I变小，U变小 C．I变小，U变大 D．I变大，U变小

28、(某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U.

现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）. 请完成对该物体质量的测量.

（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图.

（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m. （3）请设想实验中可能会出现的一个问题.

（1）设计的电路图如图所示. （2）测量步骤与结果： ①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零. ②将砝码放在转换器上，记下输出电压U0. ③将待测物放在转换器上，记下输出电压U1；

由UO＝kmog,得k=UO/mog 测得U=kmg,所以 m=moU/UO

(3)①因电源电压不够而输出电压调不到零。②待测物体质量超出转换器量程

29、图6（甲）是某研究性学习小组自制的电子秤原理图，利用电压表的示数来指示物体的质量．托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计．滑动变阻器的滑动端与

m R弹簧上端连接，当盘中没有放物体时，电压表示数为零．设变阻器总电阻为R，m E，R 总长度为L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻阻值为R0，弹簧劲度系数V R 为k，若不计一切摩擦和其他阻力． S （1）试推出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式．

乙 甲 （2）由（1）计算结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比，不

图6

便于进行刻度，为了使电压表示数与待测质量成正比，请你利用原有器材在

该小组研究的基础上进行改进，在图6（乙）的基础上完成改进后的电路图，并推出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式．

解析（1）当放托盘中放入质量为m的物体时，设变阻器的上端到滑动端的长度为x，根据题意得，mg＝kx，此时滑动变阻器接入的阻值为Rx联立求解，得UxxRxR， 故有UxE LRxR0rm V R0 R E，r S 图7 mgRE．

mgRkL(R0r)（2）电路图如图7所示，当放托盘中放入质量为m的物体时，有mg＝kx， xERxR，电压表示数为UxRx，故有

LR0RrUxgREm

(R0Rr)kL

用心 爱心 专心

7