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【摘要】传感器作为信息采集重要元件，在自动控制、信息处理等技术中发挥着重要的作用，而近年来关于传感器的高考题也越来越多。本文将对热电、光电、声电、力电等几种类别传感器的原理进行分析并结合传感器典型例题的练习展开阐述。
【关键词】传感器；元件；电信号
传感器是指能将所感受到的物理量（如力、热、光等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件，其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号。传感器可以根据其利用的元件进行分类（如电容传感器、电阻传感器等），也可以按其转换的信号来分类（如光电、热电传感器等）。
1．热电传感器：
热电传感器是指将温度信号转换成电信号的一类传感器，一般有两类：一类是随温度变化引起传感器中某个组件形状的变化（如热胀冷缩）达到转换信号的目的；还有一类是随温度变化引起电阻的变化（如半导体材料中热敏电阻随温度升高电阻减小）达到转换信号的目的。
例1：给你如下器材：热敏电阻、电铃、电源继电器，滑动变阻器，开关和导线若干。试从所给器材中选用一些器材制作一个高温自动报警器，要求是：不必要的器材尽量不用，画出电路图。
解析：选择热敏电阻、电铃、电源继电器及导线若干，连接电路如图1。
原理：当温度升高，热敏电阻电阻减小，螺线管中电流增大，电磁铁磁性变强，衔铁被吸下，与触头接触，含电铃电路闭合，电铃鸣响报报警。
在热电传感器中要注意热敏电阻的电阻值是随温度升高而减小，抓住这特性，再结合电学知识就能够分析出设计原理并用以解题。
2．光电传感器：
光电传感器是指将光信号转换为电信号的一类传感器，一般以光敏电阻为主要元件，因为光敏电阻电阻值随光照加强而减小，将光敏电阻连接到电路中时，光照改变就会引起电路中其它电学量的改变，从而将光信号转换为电信号。
例2：给你光电管、电磁继电器、直流电源、开关、照明电路、路灯及导线，设计一个用于街道的路灯自动控制开关，达到日出路灯熄，日落路灯亮的效果，并说明设计原理。
解析：设计电路如图2，当光照加强时，光电管电阻变小，通过线圈的电流变大，电磁铁磁性变强，把衔铁吸下，脱离触点，照明电路断开，灯熄灭；当光照减弱时，光电管电阻变大，电流减小，电磁铁磁性减弱，衔铁被弹簧弹回与触点接触，照明电路接通，灯亮。因此就可做到日出灯熄，日落灯熄。
3．声电传感器：
声电传感器是指将声音信号转换为电信号的一类传感器，常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感器。
例3：如图3是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是容器两板间的（ A ）
（A）距离变化 （B）正对面积变化
（C）介质变化 （D）电压变化
解析：这个声电传感器又可归到电容传感器中。由题意对着话筒说话时，振动膜前后振动，则金属层和金属板间距离改变，即电容器两极板间距改变，故导致电容变化的原因可能是容器两极间的距变变化，选A。
4．力电传感器：
力电传感器是将力信号转换为电信号的一类传感器，如：
例4：如图4所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图。薄金属片P固定有4个电阻R1、R2、R3、R4（如图5所示），左边是它的侧面图这四个电阻连接成电路如图6所示，试回答下列问题：
（1）开始时金属片中央O点未加任何压力，欲使电压表无示数，则4个电阻应满足怎样的关系？
（2）当O点加一个压力F后发生形变，这时4个电阻也随之发生形变，形变后各电阻大小如何变化？
（3）电阻变化后，电阻的A、B两点哪点电压高？它为什么能测量电压？
解析：
（1）本题是电路中A、B两点间电压与4个电阻的关系，由于电压表的电阻可看作无穷大，因此本电路是R1、R2的串联电路与R3、R4的串联电路并联，伏特表电路相当于一根电桥，要使伏特表无读数，即A、B两点电势相等则有：R1/R2= R3/R4或R1R4= R2R3。
（2）当O点加垂直于金属片的压力后，金属片发生形变，由于电阻是固定在金属片上的（由上图），因此R1、R4被拉长，R2、R3被拉宽，根据电阻定率，则R1、R4增大，R2、R3减小，显然，这时A、B两点电压不再相等。
（3）电阻增大，电压降增大，电阻减小，电压降减小，故在R1、R2的串联电路上R1上的电压降增大，R3、R4串联电路上R3电压降减小，所以A点电压高于B点电压。测量血压时，血压越高，压力F越大，金属片形变越显著，电阻变化越大，因而电压表示数越大，于是就能根据电压表示数的大小来测量血压的高低了。当然在实际上由于
金属片形变较小，所以电阻变化也较小，A、B两点间电压还要经过放大才能通过电表指示出来，有的还可以转换成数字显示出来。
5．其它传感器：
除以上这些传感器外，还有将除力、热、光、声外信号转换成电信号的传感器，如下面例子：
例5：如图7所示的是通过电容器的变化来检测容器内液面高低的仪器示意图，容器中装有导电液体，是电容器的一个电极，中间的导体芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管作为电介质，电容器的这两个电极分别用振荡电路产生电磁振荡，根据其振荡频率的高低（用与该电路相连的频率计显示）就可知容器中液面位置的高低。
（1）如果频率计显示该振荡电路的振荡频率变大了，则液面是升高了还是降低了？
（2）容器内的导电液体与大地相连，若某一时刻线圈内磁场方向向右，且正在增强，则此时导体芯柱的电势是正在升高还是降低？
解析：由题意可知导电液体和导线芯为两极板绝缘管为电介质构成一个电容器，此电容器与线圈组成一个LC振荡电路，当电容器电容变化时，便会引起振荡频率的变化，而此电容器电容的变化是由于液体和导线芯的正对面积的变化即液面的升降引起的，且随液面升高电容变大，故可以通过振荡频率的变化来探知液体深度的变化，即将液体深度的信号转换成了振荡频率信号。
（1）液面位置降低。（2）导体芯线电势是正在降低。
以上所举的传感器例子虽然各不雷同且在传感器问题中也只能窥一斑，但分析思路却有共同点：因为传感器工作过程都是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号，故在分析过程中只要把握住该元件相对敏感信号的变化关系，再分析该元件的变化对其所处环境的影响，就能将传感器的原理分析出来并用以解题。通过对传感器问题的练习，有助于提高学生的思考能力及将知识实际应用的能力，开阔学生的眼界。
责任编辑：张子佳
【关键词】传感器；元件；电信号
传感器是指能将所感受到的物理量（如力、热、光等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件，其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号。传感器可以根据其利用的元件进行分类（如电容传感器、电阻传感器等），也可以按其转换的信号来分类（如光电、热电传感器等）。
1．热电传感器：
热电传感器是指将温度信号转换成电信号的一类传感器，一般有两类：一类是随温度变化引起传感器中某个组件形状的变化（如热胀冷缩）达到转换信号的目的；还有一类是随温度变化引起电阻的变化（如半导体材料中热敏电阻随温度升高电阻减小）达到转换信号的目的。
例1：给你如下器材：热敏电阻、电铃、电源继电器，滑动变阻器，开关和导线若干。试从所给器材中选用一些器材制作一个高温自动报警器，要求是：不必要的器材尽量不用，画出电路图。
解析：选择热敏电阻、电铃、电源继电器及导线若干，连接电路如图1。
原理：当温度升高，热敏电阻电阻减小，螺线管中电流增大，电磁铁磁性变强，衔铁被吸下，与触头接触，含电铃电路闭合，电铃鸣响报报警。
在热电传感器中要注意热敏电阻的电阻值是随温度升高而减小，抓住这特性，再结合电学知识就能够分析出设计原理并用以解题。
2．光电传感器：
光电传感器是指将光信号转换为电信号的一类传感器，一般以光敏电阻为主要元件，因为光敏电阻电阻值随光照加强而减小，将光敏电阻连接到电路中时，光照改变就会引起电路中其它电学量的改变，从而将光信号转换为电信号。
例2：给你光电管、电磁继电器、直流电源、开关、照明电路、路灯及导线，设计一个用于街道的路灯自动控制开关，达到日出路灯熄，日落路灯亮的效果，并说明设计原理。
解析：设计电路如图2，当光照加强时，光电管电阻变小，通过线圈的电流变大，电磁铁磁性变强，把衔铁吸下，脱离触点，照明电路断开，灯熄灭；当光照减弱时，光电管电阻变大，电流减小，电磁铁磁性减弱，衔铁被弹簧弹回与触点接触，照明电路接通，灯亮。因此就可做到日出灯熄，日落灯熄。
3．声电传感器：
声电传感器是指将声音信号转换为电信号的一类传感器，常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感器。
例3：如图3是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是容器两板间的（ A ）
（A）距离变化 （B）正对面积变化
（C）介质变化 （D）电压变化
解析：这个声电传感器又可归到电容传感器中。由题意对着话筒说话时，振动膜前后振动，则金属层和金属板间距离改变，即电容器两极板间距改变，故导致电容变化的原因可能是容器两极间的距变变化，选A。
4．力电传感器：
力电传感器是将力信号转换为电信号的一类传感器，如：
例4：如图4所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图。薄金属片P固定有4个电阻R1、R2、R3、R4（如图5所示），左边是它的侧面图这四个电阻连接成电路如图6所示，试回答下列问题：
（1）开始时金属片中央O点未加任何压力，欲使电压表无示数，则4个电阻应满足怎样的关系？
（2）当O点加一个压力F后发生形变，这时4个电阻也随之发生形变，形变后各电阻大小如何变化？
（3）电阻变化后，电阻的A、B两点哪点电压高？它为什么能测量电压？
解析：
（1）本题是电路中A、B两点间电压与4个电阻的关系，由于电压表的电阻可看作无穷大，因此本电路是R1、R2的串联电路与R3、R4的串联电路并联，伏特表电路相当于一根电桥，要使伏特表无读数，即A、B两点电势相等则有：R1/R2= R3/R4或R1R4= R2R3。
（2）当O点加垂直于金属片的压力后，金属片发生形变，由于电阻是固定在金属片上的（由上图），因此R1、R4被拉长，R2、R3被拉宽，根据电阻定率，则R1、R4增大，R2、R3减小，显然，这时A、B两点电压不再相等。
（3）电阻增大，电压降增大，电阻减小，电压降减小，故在R1、R2的串联电路上R1上的电压降增大，R3、R4串联电路上R3电压降减小，所以A点电压高于B点电压。测量血压时，血压越高，压力F越大，金属片形变越显著，电阻变化越大，因而电压表示数越大，于是就能根据电压表示数的大小来测量血压的高低了。当然在实际上由于
金属片形变较小，所以电阻变化也较小，A、B两点间电压还要经过放大才能通过电表指示出来，有的还可以转换成数字显示出来。
5．其它传感器：
除以上这些传感器外，还有将除力、热、光、声外信号转换成电信号的传感器，如下面例子：
例5：如图7所示的是通过电容器的变化来检测容器内液面高低的仪器示意图，容器中装有导电液体，是电容器的一个电极，中间的导体芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管作为电介质，电容器的这两个电极分别用振荡电路产生电磁振荡，根据其振荡频率的高低（用与该电路相连的频率计显示）就可知容器中液面位置的高低。
（1）如果频率计显示该振荡电路的振荡频率变大了，则液面是升高了还是降低了？
（2）容器内的导电液体与大地相连，若某一时刻线圈内磁场方向向右，且正在增强，则此时导体芯柱的电势是正在升高还是降低？
解析：由题意可知导电液体和导线芯为两极板绝缘管为电介质构成一个电容器，此电容器与线圈组成一个LC振荡电路，当电容器电容变化时，便会引起振荡频率的变化，而此电容器电容的变化是由于液体和导线芯的正对面积的变化即液面的升降引起的，且随液面升高电容变大，故可以通过振荡频率的变化来探知液体深度的变化，即将液体深度的信号转换成了振荡频率信号。
（1）液面位置降低。（2）导体芯线电势是正在降低。
以上所举的传感器例子虽然各不雷同且在传感器问题中也只能窥一斑，但分析思路却有共同点：因为传感器工作过程都是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号，故在分析过程中只要把握住该元件相对敏感信号的变化关系，再分析该元件的变化对其所处环境的影响，就能将传感器的原理分析出来并用以解题。通过对传感器问题的练习，有助于提高学生的思考能力及将知识实际应用的能力，开阔学生的眼界。
责任编辑：张子佳