第 10 章 传感器原理与应用
洗手时把手伸到水龙头下，水会自动流出；手一离开，水又自动停下。水龙头并没有“看见”你的手，它真正捕捉到的可能是红外光强的变化。可光强、温度、压力这些量都不能直接推动电磁阀，装置是怎样把一个外界变化变成可靠动作的？
先把整条信息链拆开：外界的温度、光照、力或磁场作用在传感器上，传感器把它们转换成便于测量的电学量；转换电路再把变化变成清楚的电压、电流或开关状态；若装置还要自动行动，控制电路会根据这个信号驱动继电器、电磁阀、蜂鸣器等执行器。
这条链是全章的主线。遇到陌生装置时，先别被元件名称吓住，只追问三件事：它感受什么量？哪个电学量随之改变？电路怎样读取这个变化？
一、传感器怎样把“感觉”变成电信号
1. 敏感元件、转换元件与后续电路
传感器的基本部分一般由敏感元件和转换元件组成；其输出信号通常还要经过信号调整与转换电路，才能便于显示、传输或控制。敏感元件直接感受被测量，例如热敏材料感受温度，应变片感受形变；转换元件则把敏感元件的响应转换为电阻、电容、电压等电学量。
敏感元件和转换元件描述的是两类基本功能，并不保证装置里恰好有两个彼此分开的零件。热敏电阻既直接感受温度，又把温度变化转换成电阻变化，敏感与转换功能就在同一个元件中。后面再接的分压电路属于信号调整与转换环节，它把电阻变化变成容易读取的电压变化，不应被机械地看作传感器本体的“第三部分”。
传感器不是“只要接上电源就会自动控制”的神奇开关。它首先负责获取信息；是否报警、加热或停机，还取决于转换电路的接法、阈值判断以及执行器。分析题目时把感知、转换、判断、执行四步分开，许多复杂实物图就会清楚起来。
传感器的输入常是非电学量，输出通常是随输入变化的电学量。例如温度升高使某热敏电阻的阻值下降，这一步完成了“温度到电阻”的转换；把它接入电路后，电流或电压随之改变，电表才有了可读示数。
2. 传感器好不好，不能只看“有没有变化”
同样测温，甲元件每升高 ，输出电压改变 ；乙元件改变 。若其他条件相同，乙对温度更敏感。某一范围内可用
描述灵敏度，其中 是输入量， 是输出量。图线越陡，输出对输入的变化通常越灵敏。不过，灵敏并不等于一定准确：零点偏移、环境干扰、响应迟缓、测量范围过窄，都可能让结果不可靠。
还要留意“线性”两个字。若输出—输入图像是直线，可以用斜率快速换算；若图像弯曲，就应按给定曲线逐点读取或在很小范围内近似，不能拿某处斜率套遍全程。
二、电阻式传感器：最常见的变化怎样被读出来
1. 热敏电阻：温度升高，阻值一定增大吗
金属导体的电阻通常随温度升高而增大，于是有人顺手推断：热敏电阻也一定如此。这个结论太快了。热敏电阻有不同类型，高中装置中最常见的是负温度系数热敏电阻，简称 NTC，它的温度升高时阻值减小；正温度系数热敏电阻的阻值变化方向则相反。
题目若给出 图像，图像才是判断依据。若只说“热敏电阻”而未说明类型，也没有提供特性曲线，就不能擅自认定增减方向。常见复习题往往明确使用 NTC，此时才可以沿着“温度升高—阻值减小”继续分析。
实际测量时，可以把热敏电阻与温度计一同放入水中，改变水温，待示数稳定后记录温度和电阻。热敏电阻的引线连接处要绝缘，避免水使电路出现额外导电通路；换用多用电表电阻挡后要重新欧姆调零，测电阻时还应断开外部电源。把多组数据画成 图线，就得到该元件的定标曲线。
2. 光敏电阻：是光越强，电流就一定越大吗
常见光敏电阻受光越强，阻值越小；遮光后阻值增大。单独看元件，这个规律很明确。可一接入完整电路，“光越强，某处电压越大”却不一定成立，因为输出取在哪个电阻两端会改变结论。
研究光敏电阻特性时，要尽量只改变光照，保持电源电压、测量电路和元件位置不变。用手遮挡虽然方便，却可能同时改变距离和温度；更规范的办法是固定光源与元件，用遮光片或改变光源亮度来获得不同光照条件。
3. 力敏元件：先看物理机制，再看特性曲线
一根金属应变片贴在弹性梁上。梁受拉时，应变片变长、横截面积减小，由
可知，在材料电阻率变化可忽略的小形变模型中，电阻增大。受压时变化方向通常相反。把微小电阻变化接入电桥，就能将不易察觉的形变转换成可测的电势差。
但“压力越大，电阻越大”不能推广给所有力敏电阻。半导体压敏元件可能随压力增大而阻值减小，而且关系未必是直线。题目提供 或 图像时，应从图像读取方向、数值和灵敏度，不能把金属应变片的结论硬套过去。
电桥的思路并不神秘：平衡时两中点等电势，输出为零；某个桥臂电阻发生微小变化后，两中点电势不再相等，输出出现正负。交换输出表的两端只会改变示数正负，不会改变形变大小。判断极性时最好逐个算中点电势，靠“哪边电阻大哪边电势高”很容易受电源接法影响而出错。
4. 分压电路：同一个传感器为什么会给出相反趋势
设传感电阻 与定值电阻 串联在电压为 的电源两端。若 接在靠近电源正极的一侧， 接在靠近负极的一侧，输出取 两端，则
若 减小， 增大。仍是这两个电阻，若输出改取 两端，则
此时 减小， 也减小。
下图把两种接法并排画出。图中“输出电压增大、减小”均以传感电阻自身增大为前提：传感电阻在下，输出取它两端，输出增大；传感电阻在上，输出取下方定值电阻两端，输出减小。若传感电阻减小，两个结论全部反向。
现在想一想：用 NTC 热敏电阻制作高温报警器，温度升高后报警输入电压必须升高，应该把输出取在哪一部分？若 NTC 接在上方，就应取下方定值电阻两端。易错点不在分压公式，而在没有先标清“谁在上、输出量谁”。高考电路题常把这一步藏在实物图里，写出节点电势关系比背“温升电压升”可靠得多。
三、电容式传感器：不接触也能测位移和液位
两块相对的导体板构成电容器。对平行板电容器，在边缘效应可忽略时，电容可写为
其中 是板间介质的介电常数， 是正对面积， 是板间距离。只要被测量能引起 、 或 中某一项改变，就能把它转换为电容变化。
例如，一块极板随物体移动，板间距改变，可以测位移；两板错开程度改变，正对面积改变，也可以测位移；绝缘液体进入两板之间，等效介质发生变化，可以反映液位。这里的判断都必须带着“其他条件不变”。如果板间距和正对面积同时变化，只看其中一个量就可能得出错误结论。
电容式传感器的优势之一是被测物不必在传感器中持续通过直流电流。但电容的变化通常还要由转换电路变成电压、频率等信号，电容本身不会直接让显示屏跳出“液位 30 cm”。高中阶段只需掌握变化来源和定性关系，不需要展开后续工程电路。
四、磁敏元件与霍尔元件：磁场如何留下电学痕迹
1. 磁敏电阻与干簧管
某些材料的电阻随磁场变化，制成磁敏电阻后，可以用电阻或由它产生的电压变化反映磁场。变化方向和是否线性取决于元件特性，题目通常会给 图像，应按图读取。
干簧管则更像一个由磁场控制的开关。密封管中的两个软磁性簧片在足够强的磁场中被磁化并吸合，外部电路随之接通。线圈通电产生磁场并使干簧管动作，利用的是电流的磁效应，不是电磁感应；整个过程中即使没有磁通量变化，也可以保持吸合。
2. 霍尔元件
让电流通过一块薄片，并在垂直薄片的方向加磁场，运动载流子受到洛伦兹力，会向薄片一侧偏转。电荷积累产生横向电场；达到稳定后，横向电场力与洛伦兹力平衡，薄片两侧形成霍尔电压。这就是霍尔效应，薄片就是霍尔元件。
下图以正载流子为例画出电流向右、磁场垂直纸面向里时的电荷积累。若主要载流子为负电荷，同样的电流和磁场方向会得到相反的霍尔电压极性。
材料和尺寸不变、在适用范围内，霍尔电压的大小随磁感应强度 和工作电流 增大而增大。只反转 或只反转 ，霍尔电压极性反转；两者同时反转，极性不变。具体哪一侧电势高，还与载流子电性有关，所以判断方向必须从载流子的运动方向和 出发。
霍尔元件可以检测磁场，也能借磁场间接测转速、位置和电流。例如转盘上的磁体每经过元件一次就产生一次信号，计数电路便能得到转速。这里真正被霍尔元件直接感受的仍是磁场，转速是由信号次数进一步推得的。
五、从特性曲线到测量结果
1. 定标：先建立“一一对应”
传感器输出一个 ，并不自动等于 。必须先用已知输入与输出建立对应关系，这个过程叫定标。做温度传感器定标时，用标准温度计给出温度，记录每个温度下的电阻或电压；做气敏传感器定标时，用已知浓度样品获得输出，再画出输出—浓度曲线。
若待测输出落在两个已知数据点之间，图线近似直时可以内插；若明显非线性，应按平滑曲线读取。把图线任意外推到测量范围之外并不可靠，因为元件在范围外可能饱和、失去单调性甚至损坏。
2. 图像斜率、伏安特性与阻值
电阻型传感器常给出 图像。若纵轴为 、横轴为 ，通过原点的直线斜率是电阻 ；如果坐标轴对调，斜率就变成电导 。若伏安特性是曲线，某状态点的电阻按该点的 计算，不能把曲线切线斜率一律当成这个电阻。
还有一种常见图像直接给 。此时先由输入量 查出传感电阻，再回到串并联、闭合电路欧姆定律或分压公式求电表示数。最稳的路径是
不要从“输入变大”一步跳到“报警器响”，中间任何接法都可能让趋势反转。
3. 误差不只来自读表
定标与测量的环境应尽量一致。温度还没稳定就读数会产生滞后；光敏元件受到环境杂光会使零点偏移；力敏元件安装不正会混入其他方向的力；磁传感器位置改变，会把空间中磁场不均匀误当成电流引起的变化。
多测几次取平均能减小随机波动，却消不掉固定零点偏差。若所有输出都比真实值高 ，重复十次仍会整体偏高，应先调零或在计算中修正。复习实验题中，写“多测几次”之前先判断误差是随机的还是系统的，理由才完整。
4. 面对陌生元件，怎样设计识别实验
桌上有一只没有标签的电阻型敏感元件，只凭外形很难断定它测温、测光还是测力。可以先用多用电表确认两端电阻处于可测范围，再每次只改变一个环境量：用手掌遮光但不触碰元件，观察阻值是否随明暗明显变化；把元件置于温度不同但绝缘良好的环境，观察阻值是否随温度稳定改变；轻微施力则必须在元件允许范围内，不能把“压一下试试”变成破坏性实验。
若阻值确实随某个量改变，还不能只凭一次现象下结论。应恢复原状态，看示数能否返回；改变输入的幅度，记录多组数据；交换表笔，确认变化不是接触不良造成的。这样才能把偶然跳动和稳定特性区分开。
电路连接题还常要求选择滑动变阻器接法。若需要让被测元件两端电压从接近零开始连续调节，通常采用分压式接法，并在闭合开关前把输出调到保护位置；若只需限制串联电流，可采用限流接法。选择量程时既要防止超过额定值，也要让指针或数字示数有足够变化，不能一味选择最大量程。
最后别忘了“控制变量”。研究光敏电阻时不能同时改变距离和光源亮度；研究热敏电阻时要等待元件与环境充分热平衡；研究磁敏元件的 关系时要固定探头位置和方向。实验问题看似在考操作细节，本质上仍是在保证输入量与输出量之间建立可信的一一对应。
六、自动控制：传感器知道了，装置怎样行动
恒温箱温度低于设定值时加热，高于设定值时停止。这里的温度经过热敏元件和转换电路成为电信号，控制电路把它与设定阈值比较，再让继电器或其他执行器接通、断开加热电路。温度变化又会重新被测量，于是形成闭环。
若电磁铁电流超过某值时衔铁转向下触点，而温度升高又使 NTC 阻值减小、电磁铁电流增大，那么加热器就应接在电流较小时闭合的那组触点上。否则温度越高，加热越强，装置会形成错误的正反馈。判断触点不能凭“上触点大概是开”，要从低温和高温两个状态各走一遍信号链。
传感器和控制端通常只能处理很小的电流，不能把低压敏感元件直接串进大功率加热器或电动机中。实验应使用安全低压电源，通过继电器等执行、隔离环节控制负载；接线和换挡前先断电，闭合开关前让限流电阻处于保护位置，并检查元件额定值。
装置不动作时也要沿信息链排查。传感器断路可能使输入端电压卡在电源一端，短路可能卡在另一端；探头装错位置会让它测到环境温度而不是被控对象温度；执行器损坏时，传感器输出可能完全正常。只说“传感器坏了”不是诊断，分段测量各节点信号才有依据。
到这里，温度、光、力、位移和磁场看似五花八门，处理方法却很统一：先找被测量和敏感机理，再读出电阻、电容或电压怎样变化，接着分析转换电路，最后判断显示或执行状态。高考题常换生活情境、换元件名称，却很少跳出这条逻辑链。
课后练习
1
关于传感器的结构与功能，下列说法正确的是哪一项？
2
某负温度系数热敏电阻工作正常。温度升高时，可能发生哪些变化？
3
电压为6.0 V的电源给上方传感电阻Rs=2.0 kΩ和下方定值电阻R0=1.0 kΩ串联供电，输出取R0两端。输出电压是多少？
4
常见光敏电阻与定值电阻串联，光敏电阻接在电源正极一侧，输出取下方定值电阻两端。光照增强时输出怎样变化？
5
所有压力传感器的电阻都会随压力增大而增大。
6
在其他条件不变时，哪些变化会使平行板电容器的电容增大？
7
对同一个霍尔元件保持材料、尺寸和工作范围不变，下列判断正确的是哪些？
8
某传感器在输入量由20单位增至50单位时，输出电压由0.8 V增至2.0 V。这一范围内的平均灵敏度为 ____ V/单位。
9
恒温箱达到设定温度后能根据实测温度反复接通、断开加热器。这种控制最符合哪一项？
10
用多用电表研究热敏电阻随水温的变化时，哪些做法合理？
11
某电阻型传感器的U-I图像以U为纵轴、I为横轴，是一条过原点直线。该直线斜率表示什么？
12
某自动照明装置使用常见光敏电阻，要求环境变暗时控制输入电压升高。光敏电阻与定值电阻串联时，较合适的取样方式是哪一项？
13
一套传感控制装置不动作。下列哪些检查能帮助定位故障？