知识讲解传感器及其应用应用实例

传感器及其应用（应用实编稿：张金虎审稿：李勇康

【学习目标】

1．传感器的传感元件是如何将非电学量转化电学量的。

2．传感器的应用模式：如如何实现信的放大、转换显示和执行等。（这些内容限于高中水平只要求了解，不要求理解或掌握）

【要点梳理】

知识点一、温度传感器的应用——电饭锅

1．感温铁氧体

（1）组成：氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末。

（2）特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约103℃时，失去铁磁性。

（3）居里点：又称居里温度，即指103℃。

2．电饭锅的结构

如图所示：

3．电饭锅的工作原理

开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内水保持100℃不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，温度升至居里点103℃时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源从而停止加热。

要点诠释：如果用电饭锅烧水，在水沸腾后因为水温保持在100℃，故不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103℃才能自动断电。

知识点二、温度传感器的应用——测温仪

1．常见测温元件：热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等。

2．温度传感器测温仪的优点：可以远距离读取温度的数值，因为温度信变成电信

后可以远距离传输。

知识点三、光传感器的应用

1．机械式鼠标：其内部组成如图所示，包括滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管（光传感器）。

工作原理：鼠标器移动时，滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就

收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信，计算机分别统计xy、两个方向的脉冲

信，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。

2．火灾报警器

如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器。

带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。

要点诠释：常见的光传感器：光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等。知识点四、常见传感器的应用实例

1．生活中的传感器

（1）与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器。

（2）红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。

（3）照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器。

2．农业生产中的传感器

（1）湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水。

（2）温度传感器和湿度传感器，可对上百个点进行温度和湿度监测。由于有了十

分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象。

3．工业生产中的传感器

（1）生产的自动化和半自动化。用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作。各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等。

（2）在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工。

4．飞向太空的传感器

在航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用。这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发

送信息、收集太空数据等都有重要作用。在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等。

知识点五、光控开关

1．斯密特触发器

当输入端电压逐渐上升到某一个值（1.6 V）时，输出端会突然突然从高电平跳到低电平（0.25 V），当输入端电压下降到另一个值（0.8 V）时，输出端会从低电平跳到高电平（3.4 V）。

2．工作原理

对于如图所示的光控电路：

白天，光强度较大，光敏电阻G R电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电压，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，G R的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值（1.6 V），输出端Y 突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。

要点诠释：要想在天更暗时路灯才会照亮，应该把1R的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6 V），就需要G R的阻值达到更大，即天色更暗。

3．课本图乙电路分析

由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯模仿路灯，就要使用继电器来启闭供电电路，如图所示。灯泡可用“6V0.3A”的，继电器可以使用HRS1HS 型微型继电器以便能够插在实验板上。图中J为继电器，工作电压为5 V，a J为它的常开触点。

要点诠释：（1）二极管具有单向导电性，在电路中不能反接，否则电磁继电器将不能正常工作。

（2）图中J与a J是相互联系的整体。

（3）在控制电路中之所以并联一只二极管，是为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路。二极管的存在可以提供自感电流的通路。

知识点六、温度报警器

电路原理如图所示，常温下，调整1R的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻T R阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，1R的阻值不同，则报警温度不同。

要点诠释：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小1R的阻值，1R阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。知识点七、一些元器件的原理和使用

1．普通二极管和发光二极管

（1）都具有单向导电性。

（2）发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光。普通的发光二极管是用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能，该类发光二极管的正向导通电压大于1.8 V。

2．晶体三极管

（1）晶体三极管能够把微弱的信放大。晶体三极管的三极分别是发射极e、基极b和集电极c。

（2）传感器输出的电流或电压很微弱，用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为基极b的电流对集电极c的电流起了控制作用。

3．逻辑电路

（1）对于与门电路，只要一个输入端输入为“0”，则输出端一定是“0”；反之，只有当所有输入端都同时为“1”，输出端才是“1”。

（2）对于或门电路，只要有一个输入端输入为“1”，则输出端一定是“1”；反之，只有当所有输入端都为“0”时，输出端才是“0”。

（3）非门电路中，当输入端为“0”时，输出总是“1”；当输入端为“1”时，输出端反而是“0”。非门电路也称反相器。

（4）斯密特触发器是具有特殊功能的非门。

【典型例题】

类型一、温度传感器的应用

例1．如图所示是电饭煲的电路图，1S是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达

到居里点（103℃）时，会自动断开，2S是一个自动控温开关，当温度低于70℃时，会自动闭合；温度高于80℃时，会自动断开，红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯，分流电阻12500ΩRR??，加热电阻丝350ΩR?，两灯电阻不计。

（1）分析电饭煲的工作原理。

（2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。

（3）简要回答，如果不闭合开关1S，能将饭煮熟吗？

【思路点拨】先搞清楚1S、2S两控温开关的作用，在明确控温过程。

【答案】见解析

【解析】本题考查了温度传感器的实际应用，解题关键是清楚1S、2S两控温开关的作用。

（1）电饭煲盛上食物后，接上电源，2S自动闭合，同时手动闭合1S，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80℃时，2S自动断开，1S仍闭合；水烧

开后，温度升高到居里点103℃时，开关1S自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态，由于散热，待温度降至70℃时，2S自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80℃时，2S又自动断开，再次处于保温状态。

（2）加热时电饭煲消耗的电功率22UPR?并，保温时电饭煲消耗的电功率221UPRR??并，两式中

23223500505005005011RRPRR????????。

从而有

112500500111250011RRPPR?????并并。

（3）如果不闭合开关1S，开关2S总是闭合的，1R被短路，功率为1P，当温度上升到80℃时，2S自动断开，功率P降为2P，温度降低到70℃，2S自动闭合……温度只能在7080℃～℃之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。

【总结升华】熟悉电饭煲的工作原理，明确控温过程是解题的关键。

例2．(2016 北京四中三模)如图所示，一热敏电阻R T放在控温容器M内；A为毫安表，量程6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为

电阻箱，最大阻值为999.9 Ω，S为开关。已知R T在95 ℃时的阻值为150 Ω，

在20 ℃时的阻值约为550 Ω。现要求在降温过程中测量在20～95 ℃之间的多个温度下R T的阻值。

(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图。

(2)完成下列实验步骤中的填空：

a．依照实验原理电路图连线。

b．调节控温容器M内的温度，使得R T的温度为95 ℃。

c．将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全。

d．闭合开关。调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录________。

e．将R T的温度降为T1(20 ℃＜T1＜95 ℃)；调节电阻箱，使得电流表的读数________，记录________。

f．温度为T1时热敏电阻的电阻值R T1＝________。

g．逐步降低T1的数值，直到20 ℃；在每一温度下重复步骤ef。

【答案】(1)见解析

(2)d.电阻箱的读数R0；e．仍为I0电阻箱的读数R1；f．R0－R1＋150 Ω

【解析】(1)电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大，因此电阻箱应与热敏电阻串联。如图：

(2)本实验原理是当电路的两种状态的电流相等时，外电路的总电阻相等。

95 ℃和T1时对应的电路的电阻相等，有150 Ω＋R0＝R T1＋R1，即R T1＝R0－R1＋150 Ω。

类型二、光传感器的应用

例3．如图甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定。电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻R的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性设计一个自动光控电路。

【思路点拨】由光敏电阻的特性曲线判断：当入射光增强时，光敏电阻的阻值变化，流过光敏电阻的电流变化。根据题意设计出的路灯自动控制电路。

【答案】如图所示

【解析】由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大。

根据题意设计的路灯自动控制电路如图所示。