1．认识传感器
1．了解传感器，知道传感器是把非电学量转换成电学量的器件或装置，知道传感器在生产生活等实践中有广泛应用。
2．了解传感器的基本组成部分和应用的一般模式。
3．知道传感器在某些方面可以代替甚至超过人类对自然的感知，能够改变人类的生产生活方式。
神奇的传感器及其种类
1．楼道灯自动开启：这个开关会感知环境的明暗和声音的强弱。只有环境的亮度低于某一数值，同时声强高于某一数值时，声控—光控开关才会接通，灯才会亮。
2．自动门：有的自动门装有一种装置，当人走近时，可以检测出人体向外辐射的红外线，从而发出使自动门开关启动的命令。这种装置就是红外线传感器。
3．便携式酒精检测仪：司机对着 “便携式酒精检测仪”呼气，检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度，这是因为检测仪上装有“乙醇传感器”，它能感知乙醇的浓度。
4．传感器：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量， 可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
5．传感器的种类
(1)传感器的种类：力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器。
(2)电化学反应原理：把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号。
(3)生物活性物质：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质，如酶传感器、微生物传感器、 细胞传感器等生物传感器。
干簧管是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。将干簧管接入图中电路。
问题1 当磁铁靠近干簧管时，会发生什么现象，为什么？
提示：灯泡会亮，因为当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。
问题2 干簧管的作用是什么？
提示：干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。
1．传感器的核心元件
(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。
(2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。
(3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等。
2．传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示：
3．分类
工作原理 举例
物理传感器 利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息 压力传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等
化学传感器 利用化学反应识别和检测信息 气敏传感器、湿敏传感器等
生物传感器 利用生物化学反应识别和检测信息 酶传感器、组织传感器、细胞传感器等
【典例1】 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)。
[解析] 由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′ R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大。
[答案] b、c 增大
传感器问题的分析思路
不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。
[跟进训练]
1．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
D [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；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；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。]
2．(2022·福州高二检测)某电容式话筒的原理示意图如图所示，E为电源，R为电阻，薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时，P振动而Q可视为不动，在P向左运动的过程中( )
A．P、Q构成的电容器的电容增大
B．P上电荷量保持不变
C．M点的电势比N点的低
D．M点的电势比N点的高
D [当P向左运动时，据平行板电容器公式C＝知d增加，则C变小，A错误；稳定后电容器两极板间的电压不变，则据Q＝CU知C减少，U不变，则Q减少，B错误；电容器两极板的电荷量减少，产生放电电流，方向从M→N，因此M点的电势比N点的电势高，D正确，C错误。]
传感器的组成与应用模式
1．敏感元件：是指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
2．转换元件：是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。它们分别完成检测和转换两个基本功能。
传感器的基本部分一般由敏感元件和转换元件组成。
3．传感器应用的一般模式
如图是应变片的原理及力学传感器的应用的图片。
问题1 电子秤的敏感元件是什么？
提示：电阻应变片。
问题2 电阻应变片是怎样把非电学量转化为电学量的？
提示：当电阻应变片长度和横截面积发生变化时，由电阻定律可知电阻发生变化。
1．分析思路
物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：
(1)信息采集。
(2)信息加工、放大、传输。
(3)利用所获得的信息执行某种操作。
2．分析传感器问题要注意四点
(1)感受量分析
要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。
(2)敏感元件分析
明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。
(3)电路结构分析
认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。
(4)执行机构工作分析
传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
【典例2】 酒精测试仪利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，其电阻r的倒数与酒精气体的浓度c成正比。如图所示的电路接在恒压电源上，R和R0为定值电阻，则电压表的示数U与酒精气体浓度c的对应关系为( )
A．U越大，表示c越大，但是c与U不成正比
B．U越大，表示c越大，而且c与U成正比
C．U越大，表示c越小，但是c与U不成反比
D．U越大，表示c越小，而且c与U成反比
A [由题图知，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＝kc(k是比例系数)①，根据欧姆定律得②，由①②式整理得U＝，由数学知识知，U越大，c越大，但c与U不成正比，故A正确。]
[跟进训练]
3．(多选)为了保证行车安全和乘客身体健康，动车上装有烟雾报警装置，其原理如图所示。M为烟雾传感器，其阻值RM随着烟雾浓度的改变而变化，电阻R为可变电阻。车厢内有人抽烟时，烟雾浓度增大，导致S两端的电压增大，装置发出警报。下列说法正确的是( )
A．RM随烟雾浓度的增大而增大
B．RM随烟雾浓度的增大而减小
C．若要提高报警灵敏度可增大R
D．若要提高报警灵敏度可减小R
BC [S两端电压U增大，故传感器两端电压一定减小；当有烟雾，使传感器电阻变化，即RM变小，则有RM随着烟雾浓度的增大而减小，故A错误，B正确。R越大，M与R并联的电阻R并越接近RM，U增大越明显，导致S上电压变化越明显，故C正确，D错误。]
1．下列说法正确的是( )
A．传感器将感受到的非电学量转换为电学量，或转换为电路的通断
B．传感器将感受到的电学量转换为非电学量
C．传感器只能将感受到的非电学量转换为电路的通断
D．以上说法都不对
A [传感器作为一种将其他形式的信号与电信号之间的转换装置，能将非电学量按一定规律转换成电学量或者是电路的通断，故A正确，B、C、D错误。]
2．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，手靠近自动干手机能使传感器工作，是因为改变了( )
A．湿度 B．温度
C．磁场 D．电容
D [根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机时电热器工作，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，故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、湿度的变化而工作，它就成了室内烘干机，故A、B、C错误。]
3．如图所示，商店里使用的电子计价秤可将货物的质量、单价和金额清楚地显示在面板上，既方便了工作人员，又方便了顾客。电子计价秤使用的传感器是( )
A．红外线传感器
B．压力传感器
C．超声波传感器
D．温度传感器
B [传感器将温度、力、光、声音等非电学量转换为电学量，此处电子计价秤使用的传感器是压力传感器，将力学量转换成电学量，故B正确，A、C、D错误。]
4．(多选)如图是一种测定压力的电容式传感器。当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化。如果将这个电容式传感器、电流计和电源串接成闭合电路，那么( )
A．当F向上压膜片电极时，电容将变小
B．当F向上压膜片电极时，电容将变大
C．若电流计示数有变化，则表明压力F发生变化
D．若电流计示数有变化，则表明压力F不发生变化
BC [当F向上压膜片电极时，距离d变小，则根据C＝，可知电容变大，A错误，B正确；若电流计示数有变化，则可能是电容器充电或放电，即电容发生了变化，表明压力F发生了变化，故C正确，D错误。]
回归本节知识，自我完成以下问题：
(1)传感器由哪几部分组成？
提示：敏感元件、转换元件、转换电路。
(2)常见物理传感器有哪些？
提示：力传感器、磁传感器、声传感器。
机器人传感器
传感器在机器人身上应用很多。根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器：用来检测机器人本身状态(如手臂间角度)的传感器。多为检测位置和角度的传感器。外部传感器：用来检测机器人所处环境(如是什么物体，离物体的距离有多远等)及状况(如抓取的物体是否滑落)的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器、听觉传感器等。
为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一身的产品，有些方面还在探索之中，随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类做出更大贡献。
随着机器人技术的发展与进步，机器人变得越来越“聪明”，它们是否有一天会完全取代人类的工作？人类的前途是否堪忧？实际上，科技本身并没有好坏之分，是人类决定了如何去使用它。面对科技进步，人类应该衡量和思考，该如何运用这些技术才会对社会更有益，使世界变得更加美好。
要让机器人判断出是否有光，亮度多少，需要什么传感器？
提示：光敏管、光电断续器。2．常见传感器的工作原理及应用
1．知道传感器就是把非电学量转换为电学量的器件或装置，其主要元件是敏感元件。
2．了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。
3．利用电容器的结构改变影响电容的性质，设计电容式位移传感器。
光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻
1．光敏电阻
(1)特点：光照越强，电阻越小。
(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，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。
光敏电阻阻值随光照强度变化而变化是因为光敏电阻是半导体，光照引起载流子数变化。
2．金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图甲所示为某金属导线电阻的阻值随温度变化的曲线。
3．热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图乙所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。
热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻值变化比较明显。在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。
某兴趣小组为了研究电子温控装置，将热敏电阻R1、定值电阻R2以及电压表和电流表连入如图所示的电路中，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
问题1 闭合开关S后，温度升高时，电流表的示数如何变化？
提示：温度升高时，热敏电阻的阻值变小，干路的电流变大，所以电流表的示数变大。
问题2 闭合开关S后，温度降低时，电压表的示数如何变化？
提示：温度降低，热敏电阻的阻值变大，干路中的电流变小，R2两端的电压变小，故电压表的示数变小。
1．电阻式传感器性能比较
热敏电阻 金属热电阻 光敏电阻 电阻应变片
特点 正温度系数的热敏电阻，随温度升高阻值变大；负温度系数的热敏电阻，随温度升高阻值减小 电阻率随温度的升高而增大 在强光下电阻小，在弱光下电阻大 受到拉力时，电阻变大；受到压力时，电阻变小
敏感材料 半导体 金属 把硫化镉涂敷在绝缘板上，其表面镀银 金属材料
优点 灵敏度好 测温范围大 灵敏度好 灵敏度好
原理 温度影响电阻率 无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好 R＝ρ
应用 空调机 电饭煲 照相机 电子秤
2．热敏电阻和金属热电阻随温度变化的特点
(1)热敏电阻：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①所示为某热敏电阻阻值随温度变化的特性曲线。
(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②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器。
热敏电阻
【典例1】 如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，L为小灯泡，当温度降低时( )
A．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
C [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，R1两端的电压减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，故C正确。]
传感器问题中的电路动态分析的四点注意
(1)如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出其阻值的变化。
(2)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化。
(3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。
(4)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。
光敏电阻
【典例2】 (多选)如图所示，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( )
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压增大
ABC [当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A正确，D错误；因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C正确。]
[跟进训练]
1．(2022·山东烟台二中高二阶段练习)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中A、B两点后，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是( )
A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻
C．用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
D．用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻
C [定值电阻阻值不随温度以及光照强度的变化而变化，热敏电阻阻值随温度的变化而变化；光敏电阻阻值随光照强度的变化而变化，置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻，选项A错误；置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件可能是定值电阻，也可能是光敏电阻，选项B错误；用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻，选项C正确；用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件可能是定值电阻，也可能是热敏电阻，D错误。]
力传感器的应用——电子秤
1．组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是电阻应变片。
2．工作原理
3．作用：电阻应变片将物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
力传感器不仅可以测量压力，也可以测量拉力。
如图所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各贴一个应变片。
问题 结合力传感器的特点，叙述它的工作原理。
提示：在梁的自由端施加力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大，输出的电压差值也就越大。
力传感器的应用——电子秤工作原理
1．压力(两个应变片的形变)引起电阻变化。如图所示，金属梁右端固定，上下表面各贴一个应变片，金属梁自由端受力F时，金属梁发生弯曲，上表面应变片拉伸，阻值变大，下表面应变片压缩，阻值变小。
2．两个应变片的电压差发生变化，力F越大，电压差就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上表面应变片两端电压变大，下表面应变片两端电压变小。传感器把这两个电压的差值输出，力F越大，输出的电压差值也就越大，这样就把压力的大小转换为电压的大小。
【典例3】 有一种测量人体重力的电子秤，其原理图如图中的虚线所示，它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(其实质是电流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示。
压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 …
电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 …
设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.68 V，则：
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式。
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？
(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的重力是多少？
[解析] (1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F(Ω)。
(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300 Ω，电路中的电流I1＝ A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处。
(3)当电流表刻度盘的读数为I2＝20 mA时，压力传感器的电阻R2＝ Ω＝234 Ω，由R＝300－0.6F(Ω)，解得F2＝110 N。
再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550 N。
[答案] (1)R＝300－0.6F(Ω) (2)15.6 mA (3)550 N
[跟进训练]
2．(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是( )
A．应变片都是由半导体材料制成的
B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之变小
C．传感器输出的是应变片上的电压
D．外力越大，输出的电压差值也越大
BD [常见的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，故A错误；当应变片拉伸时，其电阻变大，反之变小，故B正确；传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值，并且随着外力的增大，输出的电压差值越大，故C错误，D正确。]
电容式传感器
1．电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器。
2．常见电容式传感器
名称 传感器 原理
测定角度θ的电容式传感器 当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况
测定液面高度h的电容式传感器 在导电芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导电芯和导电液体构成电容器的两个极，导电芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道h的变化情况
测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况
测定位移x的电容式传感器 随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况
【典例4】 如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)( )
A．向右偏到某一刻度后回到零刻度
B．向左偏到某一刻度后回到零刻度
C．向右偏到某一刻度后不动
D．向左偏到某一刻度后不动
思路点拨：根据电容的公式C＝和C＝，按以下思路进行分析。
A [压力F作用时，极板间距d变小，由C＝，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板所带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度，故A正确。]
电容式传感器是一种多功能传感器，可把压力、转角、位移、压强、声音等非电学量转换为电容这一电学量，分析原理时，关键要搞清是哪个非电学量转换为电容，然后结合电容的决定式来分析。
[跟进训练]
3．传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是( )
①C增大表示h增大 ②C增大表示h减小 ③C减小表示h减小 ④C减小表示h增大
A．只有①正确 B．只有①③正确
C．只有②正确 D．只有②④正确
B [液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大，当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确。]
1．有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是( )
A．金属导体 B．光敏电阻
C．热敏电阻 D．电阻应变片
C [金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值是随光照强度的增大而减小，热敏电阻的阻值随温度的升高而增大或随温度的升高而减小，电阻应变片的阻值随机械形变而发生变化，C正确，A、B、D错误。]
2．关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法正确的是( )
A．光敏电阻是用半导体材料制成的，其阻值随光照增强而减小，随光照的减弱而增大
B．光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器
C．热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度感知很灵敏
D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器
A [光敏电阻是把光强转换为电阻的元件，热敏电阻是把温度转换为电阻的元件，故B、D错误；热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的，半导体具有光敏性和热敏性，金属铂与热敏电阻的阻值随温度的变化趋势相反，故C错误，A正确。]
3．如图所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。由以上信息可知( )
A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指
B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容不变
C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小
D．如果用戴了手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作
A [电容触摸屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个极板，把导体层当作另一个极板，故A正确；手指与屏的接触面积越大，即两个极板的正对面积越大，故电容越大，B、C错误；如果戴了手套或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为手与导体层距离较大，不能引起导体层电场的变化，D错误。]
4．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断升降机运动状态的装置，其工作原理如图所示。将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动过程的某一段时间内，发现电流表的示数I不变，且I大于升降机静止时电流表的示数I0，在这段时间内( )
A．升降机可能匀速上升
B．升降机一定匀减速上升
C．升降机一定处于失重状态
D．通过压敏电阻的电流一定比升降机静止时大
C [I＞I0，说明R两端分压变大，电源内阻分压变小，总电流变小，总电阻变大，则压敏电阻的阻值变大了，其所受压力减小，物块所受支持力小于重力，处于失重状态，可能加速下降或减速上升，A、B错误，C正确；由于总电流变小，电流表示数变大，则通过压敏电阻的电流比升降机静止时小，D错误。]
回归本节知识，自我完成以下问题：
(1)光敏电阻把什么量转化为电阻？热敏电阻把什么量转化为电阻？电阻应变片把什么量转化为电阻？
提示：光照强度。温度。形变。
(2)电容式位移传感器输入是什么？输出的是什么？
提示：位移。电容。3．利用传感器制作简单的自动控制装置
1．会利用干簧管制作简单的自动控制装置，如门窗防盗报警装置。
2．会利用光敏电阻制作简单的自动控制装置，如光控开关。
3．通过制作自动控制装置，初步养成针对学习和生活中的问题，设计方案、动手实践的意识和习惯。
实验1 门窗防盗报警装置
一、实验原理与方法
如图所示，闭合电路开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。
二、实验器材
干簧管、继电器、发光二极管、蜂鸣器、电源、导线若干、开关、电阻。
三、实验步骤
1．连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。
2．确定各元件可以正常工作后，按照电路图连接电路。
3．接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。
【典例1】 现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。
在室温下对系统进行调节，已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω。
(1)在图中完成待调节的报警系统电路原理图的连线。
(2)电路中应选用滑动变阻器________(选填“R1”或“R2”)。
(3)按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________________
____________________________________________________________________。
②将开关向________(选填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至_______________________________________________________________。
(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。
[解析] (1)热敏电阻工作温度达到60 ℃时，报警器报警，故需通过调节电阻箱使其电阻为60 ℃时的热敏电阻的阻值，即调节阻值为650.0 Ω，使报警器能正常报警，电路图如图所示。
(2)U＝18 V，通过报警器的电流10 mA≤I≤20 mA，故电路中总电阻R＝，即900 Ω≤R≤1 800 Ω，故滑动变阻器选R2。
(3)热敏电阻阻值为650.0 Ω时，报警器开始报警，模拟热敏电阻的电阻箱的阻值也应为650.0 Ω，实验调试时，将开关置于c端，缓慢调节滑动变阻器，直到报警器开始报警。为防止通过报警器电流过大，造成报警器烧坏，应使滑动变阻器的滑片置于b端。
[答案] (1)见解析图 (2)R2 (3)①650.0 b 接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏 ②c 报警器开始报警
[跟进训练]
1．把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关(干簧管和绕在干簧管外的线圈组成)、电源连成电路，如甲图所示，制成光电报警装置，设计要求：当有光照时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声，电路已经连接一部分，请将电路连接完整。
[解析] 电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关的外面线圈两个接线端构成一个回路；而另一组电池、蜂鸣器与干簧管继电器开关里面的两个接线端构成另一个回路。当有光照时，光敏电阻变小，使得干簧管继电器开关存在磁场，导致开关接通，最终使得蜂鸣器发声；若没有光照或者光照很弱时，光敏电阻阻值变大，干簧管外的线圈产生的磁场较弱，干簧管开关自动断开。连接如图所示。
[答案] 见解析图
实验2 光控开关
一、实验原理与方法
当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。 当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电流， 点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。
二、实验器材
发光二极管、三极管、可变电阻R1、电阻R2、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸。
三、实验步骤
1．按照图甲或乙所示连接电路，检查无误后，接通电源。
2．让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。
3．遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。
4．让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
四、注意事项
1．安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。
2．光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接。
3．如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。
【典例2】 (2022·淄博高二检测)为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光照强度变化的曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(lx)。
(1)如图乙所示，电源电动势为3 V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2 V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0 lx时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ。
(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图戊所示的电路进行测量，电源(E＝3 V，内阻未知)，电阻箱(0～99 999 Ω)。实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丙为实验时电阻箱的阻值，其读数为________kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图丁所示，此时灵敏电流计的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值R0＝____________kΩ(结果保留三位有效数字)。
[解析] (1)电阻R1和R0串联，，当照度为1.0 lx时，电阻R0＝20 kΩ，则R1＝10 kΩ。
(2)由题图可知，图丙的电阻为R2＝62.5 kΩ，图丁的电阻R2′＝22.5 kΩ，本题采用等效替代法测电阻，前后两次电路中的电流相等，则电路中的电阻相等，则有R2＝R0＋R2′，所以R0＝40.0 kΩ。
[答案] (1)10 (2)62.5 40.0
[跟进训练]
2．如图所示装置为一监测锅炉内的压力大小的报警器，当压力小于某个安全值时，绿灯亮；当压力超过安全值时，红灯亮，电铃响，进行报警。试说明其工作原理。
[解析] 正常工作时，锅炉内压力(压强)小于某个安全值，此时金属片与触点1、2分离，即1、2间断开，衔铁P不动，使3、4两点接通，绿灯亮。当锅炉内的压力(压强)超过某个安全值，锅炉内活塞会推动金属片使1、2接通，电磁铁通电而把衔铁P吸下来，从而使3、5两点接通，红灯亮，电铃响，从而起到报警作用。
[答案] 见解析
1．如图所示，图甲为热敏电阻的R-t图像，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 Ω。当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0 V，内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。则：
(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(选填“A、B端”或“C、D端”)。
(2)如果要使恒温箱内的温度保持在50 ℃，可变电阻R′的阻值应调节为________Ω。
[解析] (1)当温度较低时，热敏电阻R较大，线圈中的电流较小，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高，故恒温箱内的加热器应该接在A、B端。
(2)要使恒温箱内的温度保持在50 ℃，即50 ℃时线圈内的电流为I＝20 mA。由闭合电路欧姆定律得I＝，式中r为继电器的电阻，解得R＋R′＋r＝450 Ω。由题图甲可知，50 ℃时热敏电阻的阻值为90 Ω，所以R′＝450 Ω－R－r＝260 Ω。
[答案] (1)A、B端 (2)260
2．目前有些居民区内楼道灯的控制，使用的是一种延时开关。该延时开关的简化原理如图所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过就能使其发出红色亮光)，R为限流电阻，K为按钮式开关，虚线框内S表示延时开关电路，当按下K接通电路瞬间，延时开关触发，相当于S闭合，这时释放K后，延时开关S约在1 min后断开，电灯熄灭。根据上述信息和原理图，我们可推断：按钮开关K按下前，发光二极管是________(选填“发光的”或“熄灭的”)，按钮开关K按下再释放后，电灯L发光持续时间约________min。这一过程中发光二极管是________。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比，应满足R________RL的条件。
[解析] 开关K按下前，S为断开，有电流经过发光二极管，故发光二极管是发光的。 当按下开关K后，延时开关S闭合，二极管和R被短路，二极管不发光，由于延时开关S约1 min后断开，故电灯L能持续发光1 min，由于R为限流电阻，且二极管只要有很小的电流通过就能发光，故应满足R RL。
[答案] 发光的 1 熄灭的
3．某同学通过实验制作一简易温控开关，实验原理图如图所示，当继电器电流超过10 mA时，衔铁吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20 Ω，热敏电阻与温度t的关系如下表所示。
t/℃ 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
R/Ω 199.5 145.4 108.1 81.8 62.9 49.7
(1)提供的实验器材有：
电源E1(3 V，内阻不计)
电源E2(6 V，内阻不计)
滑动变阻器R1(0～20 Ω，内阻不计)
滑动变阻器R2(0～260 Ω，内阻不计)
热敏电阻Rt
电阻箱(0～999.9 Ω)
开关S，导线若干
为使该装置实验对30～80 ℃之间任意温度的控制，电源应选________(选填“E1”或“E2”)；滑动变阻器选______(选填“R1”或“R2”)。
(2)欲使热敏电阻为40 ℃时衔铁吸合，下列操作步骤正确的顺序是________。
①将热敏电阻接入电路
②观察到继电器的衔铁被吸合
③断开开关，将电阻箱从电路中移除
④合上开关，调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关，用变阻箱替换热敏电阻，将变阻箱电阻调至145.4 Ω
A．⑤④②③① B．③⑤④②①
C．①④⑤②③ D．④⑤②③①
[解析] (1)为使该装置实验对30～80 ℃之间任意温度的控制，滑动变阻器的最大阻值必定大于热敏电阻的电阻变化，故R＞150 Ω，那么，滑动变阻器应选用R2；又有继电器电阻r＝20 Ω，电路中的电流I＝，要使电路能实现任意温度的控制，那么，当热敏电阻最大时0.01 A＜I≤，故E＞220 Ω×0.01 A＝2.2 V，故选择电源电动势与2.2 V较接近的，故选用电源E1。
(2)欲使热敏电阻为40 ℃时衔铁吸合，先将热敏电阻用与热敏电阻40 ℃时电阻的等值电阻箱替换，然后调节滑动变阻器使衔铁吸合，然后断开电路，换回热敏电阻即可，故操作步骤顺序为⑤④②③①，故A正确。
[答案] (1)E1 R2 (2)A
4．如图甲所示是大型机械厂里用来称重的电子吊秤，其中实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生形变，拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而完成将所称物体重量变换为电信号的过程。
(1)简述拉力敏感电阻丝的阻值随拉力变化的原因__________________________
_____________________________________________________________________。
(2)小明找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力变化的图像如图乙所示，再按图丙所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E约15 V，内阻约2 Ω；灵敏毫安表量程为10 mA，内阻约5 Ω；R是电阻箱，最大阻值是9 999 Ω；RL接在A、B两接线柱上，通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，接通电路完成下列操作。
a．滑环下不吊重物时，调节电阻箱，当电流表为某一合适示数I时，读出电阻箱的读数R1；
b．滑环下吊上待测重物，测出电阻丝与竖直方向的夹角为θ；
c．调节电阻箱，使________，读出此时电阻箱的读数R2；
d．算得图乙直线的斜率k和截距b；
则待测重物的重力G的表达式为G＝________(用以上测得的物理量表示)，测得θ＝53°(sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6)，R1、R2分别为1 052 Ω和1 030 Ω，结合乙图信息，可得待测重物的重力G＝________N(结果保留三位有效数字)。
(3)针对小明的设计方案，为了提高测量重量的精度，你认为下列措施可行的是________。
A．将毫安表换成量程不同，内阻更小的毫安表
B．将毫安表换成量程为10 μA的微安表
C．将电阻箱换成精度更高的电阻箱
D．适当增大A、B接线柱之间的距离
[解析] (1)电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大。
(2)根据等效替代法测电阻，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I；由其阻值随拉力变化的图像可得：k＝ Ω/N＝0.2 Ω/N
由平衡条件得：2ΔF cos θ＝G
由等效替代法测电阻得：ΔR＝R1－R2
联立解得：G＝
可得待测重物的重力
G＝ N＝ 132 N。
(3)为了提高测量重量的精度，将电阻箱换成精度更高的电阻箱，适当增大A、B接线柱之间的距离，使得拉力敏感电阻丝的受力大一些。根据闭合电路欧姆定律得电流I＝有几毫安，所以不能将毫安表换成量程为10 μA的微安表，或不能将毫安表换成其他量程，故C、D正确。
[答案] (1)电阻丝受拉力时，长度增加而横截面积减小，根据电阻定律知其阻值增大 (2)c．电流表的示数仍为I d． 132 (3)CD主题提升课4 传感器
主题一 传感器的工作原理
知道非电学量转换成电学量的技术意义。通过实验，了解常见传感器的工作原理，会利用传感器制作简单的自动控制装置。
【典例1】 如图所示是利用电容器测量角度的传感器示意图。当动片和定片之间的θ角度发生变化时，电容C便发生变化，测出电容C的变化情况，就可知道θ的变化情况。如图所示的四个图像中能正确反映电容C和θ间函数关系的是( )
A B
C D
A [根据C＝可知，电容器的电容和两极板间正对面积成正比，而θ的增大使得动片和定片间的正对面积减小，使得C减小，又由于θ增大导致正对面积按线性规律减小，故A正确。]
【典例2】 现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干，如图所示。试设计一个温控电路，要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程。
[解析] 热敏电阻RT与滑动变阻器及电磁继电器构成控制电路，电路图如图所示。当温度低于某一值时，热敏电阻的阻值很大，流过电磁继电器的电流很小，继电器无法吸引衔铁P，K处接通，电炉丝处于加热状态；当温度高于某一值时，热敏电阻的阻值变得很小，通过电磁继电器的电流较大，继电器吸引衔铁P，K处断开，电炉丝停止加热。
[答案] 见解析
主题二 传感器的应用
列举传感器在生产生活中的应用。了解光敏传感器及其在生产生活中的应用。
【典例3】 如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照射，电阻减小；门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验，可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压与门关闭时相比( )
A．红灯亮变大
B．绿灯亮变大
C．绿灯亮变小
D．红灯亮变小
D [当门打开时，R3受红外线照射，电阻减小，则总电阻减小，总电流I增大，R2两端电压＝E－I(R1＋r)减小，R2中电流减小，所以R3中电流增大，电磁继电器产生的磁场增强，把衔铁吸下，红灯亮，D正确。]
【典例4】 如图甲所示是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，调节滑动变阻器的滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻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路灯的自动光控电路。
[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。
根据题意设计的自动光控电路如图所示。
控制过程：当有光照射时，光敏电阻阻值减小，电流增大，并经过电流信号放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个触点断开；当无光照时，电流减小，放大器输出电流也减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，工作电路接通，路灯开始工作。
[答案] 见解析
