5.1常见传感器的工作原理同步训练（Word版含答案）

5.1常见传感器的工作原理
一、选择题（共15题）
1．在用位移传感器做实验时，下列说法中正确的是（　　）
A．位移传感器的发射窗口应对准接收器的信号接收窗口
B．位移传感器的发射窗口不一定要对准接收器的信号接收窗口
C．连接到数据采集器上的是发射器部分
D．实验开始后，必须先打开发射器的电源开关
2．图甲为一种家用门磁防盗报警器，由磁条和主机组成，门窗均可使用。乙图为其简化示意图，安装时，将磁条固定在门框上，主机安装在与其等高的门板边缘，门关上时，两者刚好靠在一起。当主机开关闭合时，若门被打开，磁条与主机分离，主机内的触发器就会工作，带动报警器发出报警声。下列有关说法正确的是（　　）
A．触发器内是一个开关，当主机与磁条靠近时，开关是断开的
B．触发器可以由铜制成
C．磁条的两极对调后，该报警器不能正常工作
D．本装置是利用电流的磁效应工作的
3．下列关于物理传感器，化学传感器和生物传感器的说法，正确的是（　　）
A．物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业而不能用于化工领域
B．化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量
C．生物传感器的适用范围广，可在任意温度下工作
D．生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境有一定要求
4．每当地震发生后，各路救援人员及时深入灾区，与死神抢时间，争分夺秒抢救被埋人员，有些救援队借助“生命探测仪”可以发现深埋在废墟中的伤员，根据所学知识，你认为“生命探测仪”可能用到了(　　)
A．红外线传感器 B．压力传感器
C．振动传感器 D．电容传感器
5．洗手后将湿手靠近自动干手机，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，是因为手靠近干手机能够（ ）
A．改变湿度
B．改变温度
C．改变磁场
D．改变电容
6．如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器（温度越高，其阻值越小），电流表为值班室内的显示器，a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时，流过显示器的电流I2、报警器两端的电压U的变化情况是（　　）
A．I2变大，U变大 B．I2变小，U变小
C．I2变小，U变大 D．I2变大，U变小
7．如图甲所示为恒压电源给光敏电阻R供电时，流过此电阻的电流和其所受光照强度的关系图像。某同学利用此光敏电阻设计了一个台灯的自动控制电路，如图乙所示，T为一自耦式变压器，下列说法正确的是
A．仅光照变强，R的阻值变大
B．仅光照变强，R中的电流变小
C．仅滑片P下滑，L中的电流频率变小
D．仅滑片P下滑，T的输入功率变小
8．酒精测试仪用于对机动车驾驶人员是否酒后驾车的现场检测，它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器。酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化，在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的示数就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r'的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，关于电压表示数U与酒精气体浓度c之间的对应关系，正确的是（　　）
A．U越大，表示c越大，U与c成正比
B．U越大，表示c越大，但是U与c不成正比
C．U越大，表示c越小，U与c成反比
D．U越大，表示c越小，但是U与c不成正比
9．酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测。它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化。在如图所示的电路中，酒精气体的不同浓度对应着传感器的不同电阻。这样，电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度C之间的对应关系正确的是（　　）
A．U越大，表示C越大，C与U成正比 B．U越大，表示C越小，但是C与U不成正比
C．U越大，表示C越小，C与U成反比 D．U越大，表示C越大，但是C与U不成反比
10．如图是一火警报警电路的示意图，R3为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。值班室的显示器为电路中的电流表，电源两极之间接一报警器。当传感器R3所在处出现火情时，电流表显示的电流I、报警器两端的电压U的变化情况（　　）
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变大
11．如图甲所示的电路中，理想变压器原、副线圈匝数比为10：1，原线圈接入图乙所示的正弦脉冲电压，副线圈接火灾报警系统（报警器未画出），电压表和电流表均为理想电表，R0为定值电阻，R为半导体热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小。下列说法中正确的是（　　）
A．图乙中电压的有效值为220V B．电压表的示数为11V
C．R处出现火警时电流表示数变小 D．R处出现火警时电阻R0消耗的电功率减小
12．某种酒精测试仪是利用二氧化锡半导体型酒精气体传感器．酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化，在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻，如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数与酒精气体浓度之间的对应关系正确的是（ ）
A．越小，表示越大，与成反比
B．越小，表示越大，与不成反比
C．越小，表示越小，与成正比
D．越大，表示越大，与不成正比
13．电容式传感器是将非电信号转换为电信号的装置，由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是
A．甲图的传感器可以用来测量角度
B．乙图的传感器可以用来测量液面的高度
C．丙图的传感器可以用来测量压力
D．丁图的传感器只能用来测量速度
14．如图所示是一种自动控制水温的装置，P、Q是加热电路的两个触头，M、N是热敏电阻的两个触头，则下列说法正确的是（ ）
A．P、Q应接在a、b之间
B．P、Q应接在c、d之间
C．M、N应接在e、f之间
D．M、N应接在c、d之间
15．巨磁电阻(GMR)电流传感器可用来准确检测大容量远距离直流输电线路中的强电流，其原理利用了巨磁电阻效应，巨磁电阻效应是指某些磁性材料的电阻R在一定磁场作用下随磁感应强度B的增加而急剧减小的特性．如图所示为检测电路的原理图，设输电线路电流为I(不是GMR中的电流)，GMR为巨磁电阻，R1、R2为定值电阻．已知输电线路电流I在巨磁电阻GMR处产生的磁场的磁感应强度B的大小与I成正比，下列有关说法正确的是(　　)
A．如果I增大，电压表V1示数减小，电压表V2示数增大
B．如果I增大，电流表A示数减小，电压表V1示数增大
C．如果I减小，电压表V1示数增大，电压表V2示数增大
D．如果I减小，电流表 A示数减小，电压表V2示数减小
二、填空题
16．一般光敏电阻的阻值随入射光强度的增加而_____.由于它对光照较敏感，所以可以做______________传感器.
17．传感器的组成：传感器的基本部分一般由_____、______组成。
18．我国《道路交通安全法》规定驾驶员的血液酒精含量达到20 mg/m3（含20 mg/m3）属于酒驾，达到80 mg/m3（含80 mg/m3）属于醉驾。只要酒驾就属于违法行为，可能被处以行政拘留或者罚款。半导体型呼气酒精测试仪采用氧化锡半导体作为传感器。如图甲所示是该测试仪的原理图，图中电源电动势为4.8V，内阻可忽略不计：电压表量程为5V，内阻很大；定值电阻R1的阻值为60Ω；实验测得酒精气体传感器R2的电阻值随酒精气体浓度变化的关系曲线如图乙所示。
(1)醉驾时R2的阻值小于等于___________Ω；
(2)按图甲所示电路图把电压表改装成酒精浓度表，则酒精气体浓度为0的刻度线应刻在电压刻度线为__________V处；刚好醉驾时应刻在电压刻度线为___________V处。（计算结果取三位有效位数）
19．如图所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往RT上擦一些酒精，表针将向________（选填“左”或“右”）偏转；若用电吹风机将热风吹向RT，表针将向________（选填“左”或“右”）偏转。（负温度系数指温度升高电阻减小）
三、综合题
20．霍尔元件是一种能将磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量的传感器，其基本结构如图所示，M为半导体薄片（砷化镓），B为外加与薄片垂直的磁场，a、b、c、d为霍尔电极。若在ab方向通以恒定电流I，请简要分析霍尔电势的形成过程及方向。
21．研究表明，有些金属电阻的阻值会随温度的变化而变化，物理学中利用这类金属的特性可以制成金属电阻温度计，它可以用来测量很高的温度，其原理如图所示。图中电流表的量程为0~15mA（不计其电阻），电源电压恒为3V，R'为滑动变阻器，金属电阻作为温度计的测温探头，在t≥0℃时，其阻值Rt随温度t的变化关系为Rt=100+0.5t（单位：Ω）。
（1）若要把Rt放入温度为0℃处进行测量，使电流表恰好达到满量程，即电流为15mA，则此时滑动变阻器R'接入电路的阻值为多大
（2）保持（1）中滑动变阻器R'接入电路的阻值不变，当被测温度为600℃时，电路消耗的电功率为多大
22．当前大量使用的磁敏器件是霍尔元件与集成电路制作在一起的磁传感器，它有以下两种。
(1)一种是“线性”的。它是将霍尔元件和放大器集成在一个芯片内，其输出的电压与感受到的磁感应强度成正比地连续变化。请你提出一种方案，利用它来测量电流的大小。
(2)另一种叫作“开关型”的。当磁场增强到一定程度时它才会输出高电势，而在磁场弱到一定程度时输出低电势，它只能像开关一样在高、低电势之间跃变。请你提出一种方案，利用它来测量物体的转速。
23．图a、b分别是电容式转速传感器、电感式转速传感器的结构原理图，请你分析并说明它们的工作原理。
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．A
【详解】
AB．位移传感器的发射窗口应对准接收器的信号接收窗口。故A正确；B错误；
C．连接到数据采集器上的是接收器部分。故C错误；
D．实验开始前，必须先打开发射器的电源开关。故D错误。
故选A。
2．A
【详解】
A．门关上时，磁条与主机刚好靠在一起，此时报警器不工作，说明电路是断开的；当主机开关闭合时，若门被打开，磁条与主机分离，主机内的触发器就会工作，带动报警器发出报警声，说明此时触发器内开关是闭合的，选项A正确；
B．触发器与磁条之间存在磁力的作用，所以触发器不可能是铜制成的，因为铜没有磁性，选项B错误；
C．无论磁条哪个磁极靠近触发器，都存在磁力作用，所以两极对调后，该报警器仍能正常工作，选项C错误；
D．本装置是利用磁体能够吸引磁性物体的特点工作的，选项D错误；
故选A。
3．D
【详解】
B．化学传感器一般也是输出电学量，如离子传感器等，故B错误；
A．物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，故A错误；
CD．生物传感器能够使用的前提是传感器中的生命物质保持生物活性，故C错误，D正确。
故选D。
4．A
【详解】
伤员被深埋在废墟中，借助红外线传感器，可以感知人与周围环境的差别，且伤员与尸体的温度不同，借助探测仪可以探测到活着的被困人员，故A正确，BCD错误．
故选：A
5．D
【详解】
手靠近干手机能使传感器工作，是因为手靠近干手机能够改变传感器的电容，发送启动信号给控制芯片，控制芯片在启动电机工作和加热装置工作，故D正确；
综上所述本题答案是：D
6．D
【详解】
当传感器R2所在处出现火情时，R2的阻值减小，则外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中总电流将增大，由U=E-Ir可知，路端电压减小，即报警器两端的电压U将减小；因总电流I增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R3的电流I3减小，流过R2的电流I2=I-I3变大。
故选D。
7．D
【详解】
AB．光敏电阻两端电压恒定，光越强，电流越大，根据欧姆定律，电阻越小。AB错误；
C．仅滑片P下滑，变压器不改变频率，所以L中的电流频率不变。C错误；
D．仅滑片P下滑，输出电压减小，根据
可知，T的输入功率变小。D正确。
故选D。
8．B
【详解】
由题意可知
电压表测的是R0两端的电压
由此式可以看出U越大，表示c越大，但是U与c不成正比
故选B。
9．D
【详解】
设酒精气体传感器电阻为r′，酒精气体传感器和定值电阻串联在电路中，电压表测R0两端的电压。根据酒精气体传感器的电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比，得
根据欧姆定律得
整理得
由数学知识知，U越大，C越大，但两者不成正比，也不成反比。故D正确。
故选D。
10．B
【详解】
当传感器R3所在处出现火情时，半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小，R3的电阻减小，根据串反并同规律，与传感器并联的报警器两端电压变小，与传感器并联的电流表的电流也变小。
故选B。
11．B
【详解】
A．图乙中电压的最大值，则有
解得，电压的有效值为
故A错误；
B．变压器原、副线圈中的电压与匝数成正比，所以变压器原、副线圈中的电压之比是10：1，所以电压表的示数为，故B正确；
CD．R处温度升高时，电压表示数不变，阻值减小，副线圈电流I2增大，则输出功率增大，而输出功率和输入功率相等，所以原线圈电流增大，即电流表示数增大，根据知，电阻R0消耗的电功率增大，故CD错误。
故选B。
12．D
【详解】
设酒精气体传感器的电阻为R′，则，k是比例系数．根据欧姆定律得，电压表示数，可见，c越大，则U越大，但与U与c不是成正比．故选D．
13．ABC
【详解】
A．图示电容器为可变电容器，通过转动动片改变正对面积，改变电容，可以用来测量角度，故A正确。
B．图示电容器的一个极板时金属芯线，另一个极板是导电液，故是通过改变电容器两极间正对面积而引起电容变化的，可以用来测量液面的高度，故B正确；
C．丙图是通过改变极板间的距离，改变电容器的，可以用来测量压力，故C正确；
D．可变电容器，通过改变电介质，改变电容，可以用来测量位移，不能测量速度，故D错误；
故选ABC。
14．AC
【详解】
P、Q应该分别接在触头a、b之间，同时，M、N应该分别接e、f，其工作原理是当水温升高时，热敏电阻阻值减小，电磁铁中电流增大，吸引力增大，使衔铁被吸下，a、b断开，使加热装置停止加热；当水温降低到一定程度时，热敏电阻温度减小，电磁铁中电流减小，吸引力减小，衔铁被弹簧拉上去，使a、b之间连接，加热装置开始加热，从而实现控制水温。
故选AC。
15．AD
【详解】
解：A、B、巨磁电阻的电阻值随着外电流的增加而减小，如果I增大，巨磁电阻的电阻值减小，根据闭合电路欧姆定律，电流I增加；路端电压U1=E﹣Ir减小，电阻R2的电压U2=IR2增加，即电压表V1示数减小，电压表V2示数增大，电流表A示数增加，故A正确，B错误；
C、D、如果I减小，巨磁电阻的电阻值增加，根据闭合电路欧姆定律，电流I减小；路端电压U1=E﹣Ir增加，电阻R2的电压U2=IR2减小，即电压表V1示数增加，电压表V2示数减小，电流表A示数减小，故C错误，D正确；
故选AD．
16． 减小 光
【详解】
一般光敏电阻的阻值随入射光强度的增加而减小；由于它对光照较敏感，所以可以做光传感器；
17． 敏感元件 转换元件
18． 30 2.40 3.20
【详解】
(1)醉驾时血液酒精含量达到80 mg/m3，由图可知，R2的阻值小于等于30Ω；
(2)按图甲所示电路图把电压表改装成酒精浓度表，则酒精气体浓度为0时，电阻R2阻值最大为60Ω，此时
则刻度线应刻在电压刻度线为2.40V处；
刚好醉驾时R2=30Ω，此时
则应刻在电压刻度线为3.20V处。
19． 左 右
【详解】
若往RT上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，RT温度降低，电阻值增大，所以表针应向左偏转；用电吹风机将热风吹向RT，RT温度升高，电阻值减小，所以表针向右偏转。
20．根据左手定则知，自由电子向d电极偏转，所以d电极这一侧聚集负电荷，另一端聚集正电荷，所以d点的电势低于c点的电势，cd两点间形成电势差，方向在半导体外部由c指向d。
21．（1）100Ω；（2）0.018W
【详解】
（1）当t=0℃时，
Rt=100+0.5t=100Ω
由欧姆定律，得此时电路中的总电阻：
=200Ω
由串联电路中总电阻等于各分电阻之和，得
=200Ω 100Ω=100Ω
（2）当t=600℃时，
Rt=100+0.5t=400Ω
电路中的总电阻：
R=Rt+R′=400Ω+100Ω=500Ω
电路消耗的总功率：
=0.018W
22．（1）在软铁芯上绕制线圈2，磁传感器3置入铁芯的间隙中，并与数字电压表4相连，线圈2中通入的待测电流I越强，铁芯间隙中的磁感应强度就越大，则磁传感器输出的电压也越大。电路如图
（2）在转动物体1的边缘嵌入一个永久磁体2 ，磁传感器3固定在旁边，并与计数电路和显示屏4相连。物体每转动1周，传感器就输出1个电压脉冲，计数器显示的数字就增加1，配合秒表测出物体在时间t内转动的周数n，就可以计算出转速。电路如图
23．电容式转速传感器：电容式转速传感器（以下简称传感器）是一种电参数型数字式转速传感器。它同其它数字式转速传感器一一样，主要是由预变换元件和变换元件两部分组成。在这种传感器里，预变换元件是导电或介电齿盘，变换元件是作为变换电路元件的电容器。工作时，齿盘随被测轴转动，周期性地改变电容器导电极板之间的相对面积或介电常数，使电容量发生周期性变化，即传感器利用电容变换原理将被测轴的机械转速量变换成电路元件的电容参数量。因为齿盘每转过一个齿，导电极板之间的电容器就要变化一个周期，所以传感器输出的电容参数信号之频率与被测转速成正比。这种电容参数信号经传感电路处理后就成为表征被测转速的可供转速数字显示仪测量的脉冲电量信号了。这就是该传感器可用于数字式转速测量的原理。
电感式转速传感器：电感式转速传感器（以下简称传感器）是一种以磁场为媒介的电参数型数字式转速传感器。它同其它数字式转速传感器一样，也主要由预变换元件和变换元件两部份组成。在这种传感器里，预变换元件是可随被测轴旋转的齿盘（或齿轮、下同），变换元件是固定安装的作为变换电路之电感元件的线圈。工作时，线圈在来自振荡器的高频电流激励下产生一高频磁场，齿盘之齿顶和齿槽随着被测轴的转动交替经过线圈，使线圈磁场的涡流损耗或磁路磁阻发生周期性变化，从而使线圈的电感发生周期性变化。即是说，传感器利用电感变换原理将被测轴的机械转速量变换成电路元件的电感参数量。因为齿盘每转过一个齿，线圈的电感就要变化一个周期。所以传感器输出的电感参数信号之频率与被测轴转速成正比。这种电感参数信号经由调制器（即变换电路），调解器（即转换电路）和脉冲放大整形电路（即输出电路）组成的信号处理电路（即传感电路）后就成为表征被测转速的可供转速数字显示仪测量的脉冲电量信号了。这就是该传感器可用于数字式转速测量的原理。
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