2017-2018学年高二物理人教版（选修3-2）专题6.1+传感器及其工作原理

第六章 传感器
第1节 传感器及其工作原理
一、干簧管和传感器
1．如图所示
（1）干簧管和电路图介绍：
（2）现象：有磁铁时电路________，无磁铁时电路________。
2．传感器
（1）定义：传感器是这样一种元件，它能够感受诸如力、温度、光声、化学成份等________量，
并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等________量，或转换为电路的________。
（2）作用：把非电学量转换为电学量或转换为电路的通断。
（3）目的：方便地进行测量、________、________和________。
（4）工作原理：
（5）常见的传感器有：________、________、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。
二、常见传感器元件
1．光敏电阻
（1）材料：一般为半导体。如：硫化镉。光敏电阻的特性：光照越________，电阻越________；光照越弱，电阻越________；
（2）导电原理：无光照时，载流子（自由电子和空穴）少，导电性能________随着光照的的增强，载流子增多，导电性变________。
（3）作用：把________这个光学量转换为________这个电学量；
（4）应用：照相机、验钞机、光控开关、光电计数器、报警器。
2．金属热电阻和热敏电阻
（1）一般为半导体
不同温度的水 凉水 温水 开水
电阻值情况
热敏电阻——随温度的升高电阻变________。
（2）异同点
金属热电阻化学稳定性好、测量范围________，但是灵敏度差；
热敏电阻化学稳定性差、测量范围________，但是灵敏度高。
（3）作用：把________这个热学量转换成为________这个电学量。
（4）应用：冰箱启动器、电饭锅、电阻温度计、报警器等。
3．霍尔元件
（1）构造：很小的矩形半导体薄片上制作四个电极E、F、M、N。
（2）霍尔电压：如图，EF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，它们之间的关系为：________，D为薄片厚度，k为霍尔系数 （与薄片的材料有关）。
接通 断开 物理 电学 通断 传输 处理 控制 温度传感器 光电传感器
强 小 大 不好 好 光照强弱 电阻 小 大 小 温度 电阻
热敏电阻和金属热电阻的比较
比较内容 热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻随温度升高而减小 电阻率随温度升高而增大
制作材料 氧化锰 铂
优点 灵敏度好 化学稳定性好，测温范围大
作用 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
【例题】如图所示，图中1、2分别是两种材料的电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是
A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
C．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
参考答案：BD
试题解析：由图线可知，1为金属热电阻，其化学稳定性好、测量范围大，灵敏度差；图线2为热敏电阻，其化学稳定性差、测量范围小，灵敏度高，由此可判断BD正确。
1．关于干簧管，下列说法正确的是
A．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
2．有关传感器，下列说法正确的是
A．光敏电阻能把温度这个热学量转为电阻这个电学量
B．金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差
C．热敏电阻能把光照强弱这个电学量转为电阻这个电学量
D．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量
3．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．温度报警器
4．关于霍尔元件，下列说法正确的是
A．把温度这个热学量转化为电阻这个电学量
B．把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量
C．把力这个力学量转化为电压这个电学量
D．把光照这个光学量转化为电阻这个电学量
5．某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器，它们可能是
A．热敏电阻和光敏电阻
B．金属热电阻和光敏电阻
C．热敏电阻和霍尔元件
D．光敏电阻和驻极体话筒
6．如图所示，某半导体热敏电阻的I–U图线可能是
7．如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时
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
8．如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时，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
9．位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆P，通过电压表显示的数据，来反映物体M位移的大小x。假设电压表是理想的，则下列说法正确的是
A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C．物体M不动时，电路中没有电流
D．物体M不动时，电压表没有示数
10．关于测温仪，下列说法中正确的是
A．测温用的金属热电阻的阻值不能随温度的变化而变化
B．在非典期间，机场车站用的测温仪非常迅速的测出的体温，它是利用了红外线敏感元件
C．热敏电阻的特点是随温度的升高而电阻变小
D．各种测温材料的电阻，都是随温度的变化而发生明显变化
11．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。如图甲所示，电源的电动势E=9 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，电流表示数I1=2 mA；当电流表的示数I2=3.6 mA时，热敏电阻的温度是
A．60 ℃
B．80 ℃
C．100 ℃
D．120 ℃
12．某同学设计的家庭电路保护装置如图所示。铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成。当右侧线圈L2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路。仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法错误的是
A．家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零
B．家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量不变
C．家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起
D．地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起
13．如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R与LED距离不变，下列说法中正确的是
A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变
14．如图所示的电路可将声音信号转换为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b通过导线与恒定电源两极相接。若声源S周期性振动，则
A．a振动过程中，a、b板间的电场强度不变
B．a振动过程中，a、b板所带电荷量不变
C．a振动过程中，灵敏电流计中始终有方向不变的电流
D．a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大
15．如图所示，Rt为金属热电阻，R1为光敏电阻，R2和均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r，V为理想电压表，现发现电压表示数增大，可能的原因是
A．金属热电阻温度升高，其他条件不变
B．金属热电阻温度降低，光照减弱，其他条件不变
C．光照增强，其他条件不变
D．光照增强，金属热电阻温度升高，其他条件不变
16．单位时间内通过管道截面的液体的体积称为流量，用Q表示，其单位为m3/s。如图为电磁流量计的示意图，在非磁性材料制成的圆柱形管道外加一匀强磁场区域，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里，当管中导电液（含有正、负离子）流过此区域时，可测得管壁上a、b两点间的电势差为U，根据计算可以求出流量Q。
（1）电磁流量计为一个传感器，它可以将流速信号转化为电信号，试判断a、b两点电势的高低。
（2）设管道的直径为D，试用学过的知识推导流量Q的表达式。
17．温度传感器是对温度敏感的元件，它将感受到的温度信号转变成测量的量（一般是电学量），从而直接反映出其变化。某种材料的R－t图线如下图甲所示。
（1）它能否作为温度传感器的感应元件？
（2）把这种材料制成的电阻和一个电热器串联，如图乙，可达到何种自动控制效果？
18．（2016·北京卷）热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。如图所示为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t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影响更__________（选填“敏感”或“不敏感”）。
19．（2015·上海卷）监控系统控制电路如图所示，电键S闭合时，系统白天和晚上都工作，电键S断开时，系统仅晚上工作。在电路中虚框处分别接入光敏电阻（受光照时阻值减小）和定值电阻，则电路中
A．C是“与门”，A是光敏电阻
B．C是“与门”，B是光敏电阻
C．C是“或门”，A是光敏电阻
D．C是“或门”，B是光敏电阻
2．BD【解析】光敏电阻能把光强这个光学量转为电阻这个电学量，选项A错误；金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差，选项B正确；热敏电阻能把温度这个热学量转为电阻这个电学量，选项C错误；根据霍尔效应可知，霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，选项D正确；故选BD。
【名师点睛】此题是对传感器的考查；要知道传感器是把其他物理量转化为电学量的装置；生活中常用的传感器由光学传感器、声音传感器、温度传感器等；要能联系生活实际，结合所学知识来解释生活中的有关问题。
3．BCD【解析】标准电阻的电阻几乎不随温度的变化而变化，采用合金制造，A错误；热敏电阻中有电阻随温度升高而降低的，是采用半导体材料制造，B正确；光敏电阻的电阻随着光强的增加而减小，采用半导体制造，C正确；可以采用半导体电阻制造简单的温度报警器，D正确。
4．B【解析】霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量，故B正确。
5．D【解析】根据题意，天黑时，出现声音它就开启；而白天，即使有声音它也没有反应，故电路中有光传感器，即使天黑，没声音灯也不亮，故用到了声音传感器。即控制电路中接入了光传感器、声音传感器，故D正确。
8．B【解析】当传感器R2所在处出现火情时，热敏电阻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，则图中报警器两端的电压U将减小；因总电流增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R2中的电流I2减小。故B正确。
【名师点睛】热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，由闭合电路的欧姆定律可得出电路中电流与电压U的关系
9．B【解析】电压表为理想电表，则电压表不分流，故触头移动时不会改变电路的电阻，也就不会改变电路中的电流，故A错误；电压表测的是触头P左侧电阻分得的电压，故示数随物体M的移动即触头的运动而变化，故B正确，C、D错误。
10．BCD【解析】非接触式测温仪能发出红外线，温度越高的物体发出的红外线越强，所以测温仪使用的是红外线温度传感器，热敏电阻的特点是随温度的升高而电阻变小，故BCD正确。
11．D【解析】由图象知，当R的温度等于20℃时，热敏电阻的阻值R=4 000 Ω，由串联电路特点及闭合电路欧姆定律得：，解得：。当电流时，由串联电路特点及欧姆定律得：解得：。由图象知，此时热敏电阻的温度t=120 ℃，所以选项D正确。
12．C【解析】当电路正常工作时，电流经火线流入用电器，再经零线流回。由于火线和零线并行绕在铁芯左侧，火线和零线中的电流反向，合磁通量为零，故AB正确。用电器短路后，火线和零线中电流仍然等大、反向，铁芯中无磁通量，开关不会被电磁铁吸起，C错误。当地面上的人触电时，火线中的电流经人体流入大地，由于电磁感应，L2产生感应电流，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路，D正确，本题选错误的，故应选择C。
15．B【解析】金属热电阻温度升高，则电路电阻增大，总电流减小，路端电压增大，即光敏电阻两端的电压增大，所以通过光敏电阻的电流增大，而总电流是减小的，所以通过的电流减小，故两端的电压减小，A错误；金属热电阻温度降低，光照强度减弱，如果外电路电阻减小，则干路电流增大，内电压增大，路端电压减小，所以光敏电阻两端的端电压减小，即通过的电流减小，而总电流增大，所以通过的电流增大，即电压表的示数增大，B正确；光照强度增大，则光敏电阻减小，总电阻减小，路端电压减小，即和热电阻两端的电压减小，通过的电流减小，电压减小，即电压表示数减小，C错误；光照增强，金属热电阻温度升高，一个电阻减小，一个电阻增大，若总电阻减小，则总电流增大，路端电压减小，而两端的电压增大，所以并联电路电压减小，所在支路的电阻增大，所以支路电流减小，电压表示数减小；一个电阻减小，一个电阻增大，若总电阻增大，则路端电压增大，总电流减小，而两端的电压减小，所以并联电路电压增大，所以光敏电阻两端的电压增大，通过光敏电阻的电流增大，而总电流是减小的，所以所在支路的的电流减小，电压表示数减小，故D错误；
【名师点睛】在分析电路动态变化时，一般是根据局部电路变化（滑动变阻器，传感器电阻）推导整体电路总电阻、总电流的变化，然后根据闭合回路欧姆定律推导所需电阻的电压和电流的变化（或者电流表，电压表示数变化），也就是从局部→整体→局部
17．（1）能 （2）可达到使电热器保持一定温度的效果
【解析】温度升高或降低导致R阻值发生变化，使电路中电流发生变化，导致电热器上的电压发生改变，因此达到使电热器保持一定温度的效果。
18．增强 敏感
【解析】温度越高，热敏电阻的阻值越小，即对电流的阻碍作用越小，故导电能力增强；根据图象可知，热敏电阻在相同的温度范围内变化时，阻值变化越大，故其对温度敏感。
19．D【解析】开关S闭合后，C门的一个输入端就是1，系统不管白天和晚上都工作，说明与另一个输入端的逻辑值无关，这说明C门是“或”门。开关S断开时，C门的一个输入端就是0，要让系统工作，另一个输入端必须是1，也就是高电压，所以B是光敏电阻，故D正确。