1、14.1 传感器及其工作原理学习目标 核心提炼1.了解传感器的概念，知道非电学量转换成电学量的技术的意义。2.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件的工作原理。3.了解传感器的常用元件的特征。1 个概念传感器1 个原理传感器的工作原理1 个特性敏感元件的特性多种应用传感器的多种应用一、什么是传感器1.传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件。2.非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。思考判断(1)传感器可
2、以把非电学量转换为电学量。()(2)传感器可以把力学量(如形变量)转变成电学量。()(3)传感器可以把热学量转变成电学量。()(4)传感器可以把光学量转变成电学量。()(5)传感器可以把电学量转变成力学量。()二、光敏电阻1.特点：光照越强，电阻越小。2.原理：无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。3.作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。思考判断(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱变化，光照越强电阻越小。()(2)有光照在光敏电阻上，电阻上的自由电子会发生定向移动。()2(3)光敏电阻的阻值只会随人造光的强弱而变化，不能感知自然光的变化。()三、热敏
3、电阻和金属热电阻1.热敏电阻：用半导体材料制成。可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻。(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大。(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小。2.金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻。思考判断(1)热敏电阻在温度升高时阻值变小。()(2)金属热电阻在温度升高时阻值变小。()(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低。()(4)金属热电阻随温度的升高导电能力增强，它的化学稳定性好，测量范围大。()(5)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热
4、学量转换为电阻这个电学量。()四、霍尔元件1.霍尔电压如图 1 所示， E、 F 间通入恒定电流 I，同时外加与薄片垂直的磁场 B，则 M、 N 间出现霍尔电压 UH， UH k 。 d 为薄片厚度， k 为霍尔系数。一个霍尔元件的 d、 k 为定值，若保持 IIBd恒定，则 UH的变化就与 B 成正比。图 12.作用把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。思考判断(1)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出。()(2)把霍尔元件放入磁场中，由于电磁感应现象，在元件的电极间产生感应电动势。()(3)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。()3(4)在 UH k 中， k 为
5、霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。()IBd(5)霍尔元件可以感知磁感应强度。()对传感器的理解要点归纳1.传感器的组成和工作流程(1)传感器的组成。敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。转换元件：将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。转换电路：将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等或电路的通断。(2)传感器的工作流程。 非 电 学 量 敏 感 元 件 转 换 元 件 转 换 电 路 电 学 量2.传感器的原理：传感器感受的通常是非电学量，如
6、力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。精典示例例 1 如图 2 所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，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，从而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是电容器两板间的( )图 2A.距离变化 B.正对面积变化4C.电介质变化 D.电压变化解析 振动膜前后振动，使振动膜
7、上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号，故选项 A 正确。答案 A针对训练 1 当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息( )A.温度 B.运动 C.人 D.光线解析 自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，则在夏季自动门将无法使用。自动门实际使用的是红外线传感器，红外线属于不可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机，实现自动开、关门。故选项 D 正确。答案 D对敏感元件的认识要点归纳光敏电阻、
8、热敏电阻、霍尔元件特点对比元件 特点光敏电阻半导体材料受到的光照增强时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小热敏电阻和金属热电阻(1)热敏电阻：指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图线所示为某热敏电阻的电阻温度特性曲线。(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图线所示，这样的电阻也可以制作温度传感器。热敏电阻或金属热电阻都能够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好。霍尔元件霍尔元件两极间通入恒定的电流，同时外加与薄片垂直的磁场 B 时，薄片
9、中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，在两极上形成稳定的电压 UH 。kIBd5精典示例例 2 (多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图 3 所示电路， R1为定值电阻， R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)， C 为电容器。当环境温度降低时( )图 3A.电容器 C 的带电荷量增大B.电压表的读数增大C.电容器 C 两板间的电场强度减小D.R1消耗的功率增大解析 当环境温度降低时， R2变大，电路的总电阻变大，由 I 知 I 变小，又ER总U E Ir，电压表的读数 U 增大，选项 B 正确；又由 P1 I2R1可知
10、， R1消耗的功率 P1变小，选项 D 错误；电容器两板间的电压 U2 U U1， U1 IR1，可知 U1变小， U2变大，由场强公式 E 知 E变大，由 Q CU2可知 Q 都增大，故选项 A 正确，C 错误。U2d答案 AB例 3 如图 4 所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏角为 ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为 ，则可判断( )图 4A. B. C. D.不能确定解析 光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，由欧姆挡的特点知，指针左偏，故指针自左向右的偏转角度变小。故选项
11、B 正确。6答案 B含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤(1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光线强弱)是增大还是减小。(2)分析整个回路的电阻的增减，电流的增减。(3)分析部分电路的电压、电流如何变化。例 4 (多选)如图 5 所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，板面垂直于磁场，板内通有如图所示方向的电流， a、 b 是铜板上、下边缘的两点，则( )图 5A.电势 a bB.电势 b aC.电流增大时，| a b|增大D.其他条件不变，将铜板改为 NaCl 溶液时，电势结果仍然一样解析 铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出
12、电子因受洛伦兹力作用而向 b 侧偏转，所以 a b，选项 A 正确，B 错误；因| a b| k ，所以电流增大时，| a b|增大，选项 C 正确；若将铜板改为 NaCl 溶IBd液，溶液中的正、负离子均向 b 侧偏转，| a b|0，即不产生霍尔效应，故选项 D 错误。答案 AC针对训练 2 (多选)如图 6 所示， R1、 R2为定值电阻，L 为小灯泡， R3为光敏电阻，当入射光强度增大时( )图 6A.电压表的示数增大 B.R2中电流减小7C.小灯泡的功率增大 D.电路的路端电压增大解析 当入射光强度增大时， R3阻值减小，外电路电阻随 R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律 I 知电路
13、中的电流增大， R1两端电压因干路电流增大而增大，从而电压表的Er R示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，选项 A 正确，D 错误；因路端电压减小，而 R1两端电压增大，故 R2两端电压必减小，则 R2中电流减小，故选项 B 正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，选项 C 正确。答案 ABC1.(传感器的理解)(多选)下列说法正确的是( )A.传感器担负着信息采集的任务B.干簧管是一种能够感知磁场的传感器C.传感器不是电视遥控接收器的主要元件D.传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具解析 传感器的任务就是采集信息，选项 A 正确；干
14、簧管的主要构造是由平时不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的，它们靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，选项 B 正确；由传感器的定义知，选项 D 正确。答案 ABD2.(传感器的应用)有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是因为( )A.改变湿度 B.改变温度C.改变磁场 D.改变电容解析 根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近改变了电容大小
15、，故选项 D 正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作就成了室内烘干机。选项 A、B、C 错误。答案 D3.(传感器的理解)(多选)美国科学家 WillardsBoyle 与 George ESmith 因电荷耦合器8件(CCD)的重要发明荣获 2009 年度诺贝尔物理学奖。CCD 是将光学量转变成电学量的传感器。下列器件可作为传感器的有( )A.发光二极管 B.热敏电阻C.霍尔元件 D.干电池解析 传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量的元件。发光二极管是电学元件，是电能转换成
16、光能的元件，不是传感器，选项 A 错误；干电池是一种电源，不是传感器，选项 D 错误；热敏电阻受热时，其电阻会发生变化，能把热学量转换成电学量，是传感器，选项 B 正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个非电学量转换成电压这个电学量，是传感器，选项 C 正确。答案 BC4.(热敏电阻和金属热电阻的特性)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。如图 7 为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值 R 随温度 t 变化的示意图。由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力_(选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更_(选填“敏感”或“不敏感”)。图 7解析 由 R t 图象可知，该热
17、敏电阻的阻值 R 在温度上升时变小，因此其导电能力增强；该热敏电阻相对于金属热电阻而言，对温度变化的响应更敏感。答案 增强 敏感基础过关1.在街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了9自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的( )A.压敏性 B.光敏性C.热敏性 D.三种特性都利用解析 本题中路灯的自动控制是利用了半导体的光敏性。选项 B 正确。答案 B2.(多选)利用半导体材料可以制成( )A.标准电阻 B.热敏电阻C.光敏电阻 D.晶体管解析 标准电阻是几乎不受温度影响的电阻，一般是用锰铜合金或镍铜合金制作的。利用半导体材料可以制成热敏电阻、
18、光敏电阻和晶体管。选项 B、C、D 正确。答案 BCD3.(多选)如图 1 所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化。关于干簧管，下列说法正确的是( )图 1A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的C.干簧管接入电路中相当于开关的作用D.干簧管是作为电控元件以实现自动控制的解析 干簧管能感知磁场，因为两个舌簧由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个舌簧被磁化，就会相互吸引，所以是作开关来使用，作为控制元件以实现自动控制的。选项C、D 正确。答案 CD4.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，
19、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( )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10D.膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势解析 当声波使膜片前后振动时，线圈切割磁感线产生感应电流，将声音信号转变成电信号，是根据电磁感应原理工作的，故选项 A 错误，B 正确；膜片随着声波而周期性振动，穿过金属线圈的磁通量也是周期性变化的，故选项 C 错误，膜片振动时，金属线圈切割磁感线，会产生感应电动势，故选项 D 错误。答案 B5.如图 2 是观察电阻值随温度变化情况的示意图。
20、现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是( )图 2A.如果 R 为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显B.如果 R 为金属热电阻，读数变小，且变化不明显C.如果 R 为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化非常明显D.如果 R 为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化不明显解析 若为金属热电阻，温度升高后，电阻变大，读数变化不明显，选项 A、B 错误；若为热敏电阻，读数将明显变化，选项 C 正确、D 错误。答案 C6.如图 3 所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关 S 后，小灯泡正常发光。若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变暗，发生这一现象的主
21、要原因是( )图 3A.小灯泡的电阻发生了变化B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化D.电源的电压随温度发生了变化解析 温度升高，金属电阻丝电阻率增大，电阻增大，电路中电流减小，灯泡亮度减弱。11故选项 C 正确。答案 C7.如图 4 所示， R1为定值电阻， R2为负温度系数的热敏电阻，L 为小灯泡，当温度降低时( )图 4A.R1两端的电压增大 B.电流表的示数增大C.小灯泡的亮度变强 D.小灯泡的亮度变弱解析 R2与灯泡 L 并联后再与 R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻 R2电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡 L 两端的
22、电压增大，灯泡的亮度变强， R1两端的电压减小，故只有选项 C 正确。答案 C能力提升8.传感器是一种采集信息的重要器件，如图 5 为测定压力的电容式传感器。将电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合电路，当压力 F 作用于可动膜片电极上时，膜片产生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转。在对膜片开始施加恒定压力到膜片稳定后，灵敏电流表指针的偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)( )图 5A.向右偏到某刻度后回到零刻度B.向左偏到某刻度后回到零刻度C.向右偏到某刻度后不动D.向左偏到某刻度后不动解析 两极板间电压不变，在压力 F 作用下，极板间距 d 减小，由 C
23、 知电容器电容 S4 kdC 将增大，由 Q CU 知 Q 增加，电容器充电，电流从电流表正接线柱流入，指针向右偏。当极板电荷量不变时，电路里没有电流，指针不再偏转，回到零刻度，选项 A 正确。12答案 A9.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。如图 6 甲所示，电源的电动势 E9 V，内阻不计； G 为灵敏电流表，内阻 Rg保持不变； R 为热敏电阻，其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示。闭合开关 S，当 R 的温度等于 20 时，电流表的示数 I12 mA；当电流表的示数 I23.6 mA时，热敏电阻的温度是( )图 6A.60
24、 B.80 C.100 D.120 解析 在 20 时， R4 k，由 E( Rg R1)I1，得 Rg500 。在温度为 t 时，E( Rg R2)I2，代入数据得 R22 000 2 k，从题图乙中可以看出 t120 ，故选项 D 正确。答案 D10.(多选)如图 7 所示为一种自动跳闸的闸刀开关， O 是转轴， A 是绝缘手柄， C 是闸刀卡口， M、 N 接电源线，闸刀处于垂直纸面向里、磁感应强度 B1 T 的匀强磁场中， C、 O 间距离为 10 cm。当磁场力为 0.2 N 时，闸刀开关会自动跳开。则要使闸刀开关能跳开， CO中通过的电流的大小和方向为( )图 7A.电流方向 C
25、O B.电流方向 O CC.电流大小为 2 A D.电流大小为 1 A解析 只有当 OC 受到向左的安培力时，闸刀才能自动跳开，根据左手定则知电流的方向是O C， CO 所受安培力大小为 F 安 BIL1 I0.1 N0.2 N，从而解得 I2 A。选项13B、C 正确。答案 BC11.(多选)如图 8 所示，电源的电动势为 E，内阻为 r， R1、 R2、 R3为定值电阻， R4为光敏电阻(光敏电阻被光照射时阻值变小)， C 为电容器。闭合开关 S，电路稳定后，用光照射R4，下列说法正确的是( )图 8A.电压表示数增大B.电源的效率增大C.电容器所带电荷量增加D.R2上消耗的功率增大解析
26、因有光照射时，光敏电阻的阻值减小，故总电阻减小；由闭合电路欧姆定律可知，干路电路中电流增大，由 U E Ir 可知路端电压减小，所以电压表示数减小，故选项 A 错误；电源的效率 1 ，电流增大，则电源效率减小，故选项 B 错误；P出P总 EI I2rEI IrE电容器两板间的电压与 R2两端的电压相等，因 R4电阻变小，总电阻变小，总电流增大，外电压变小，通过 R1的电流减小，则通过 R2的电流增大，所以电容器两板间的电压增大，根据 Q CU 可知，电容器所带电荷量一定增加，故选项 C 正确；通过 R2的电流增大，根据P I2R 可知， R2上消耗的功率增大，故选项 D 正确。答案 CD12.
27、为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图 9 所示的流量计。该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为 a、 b、 c，左右两端开口。在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为 B 的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极。污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压 U。若用 Q 表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法中正确的是( )14图 9A.若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高B.若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高C.污水中离子浓度越高电压表的示数将越大D.污水流量 Q 与 U 成正比，与 a、 b 大小无关解析 由左手定则可以判断出正离子较多时，正离子受到的洛伦兹力使其向后表面偏转聚集而导致后表面电势升高，同理负离子较多时，负离子向前表面偏转聚集而导致前表面电势低，故选项 A、B 错误；设前、后表面间的最高电压为 U，则 qvB，所以 U vBb，由qUb此可知 U 与离子浓度无关，故选项 C 错误；因 Q vbc，而 U vBb，所以 Q ，选项 D 正UcB确。答案 D
