揭开传感器的“面纱” 常见传感器的工作原理
夯基达标
1.为解决楼道的照明问题，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路的相接.当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为声控传感器，它输入的是_________信号，经传感器转换后，输出的是___________信号.
2.下列器件不是应用温度传感器的是( )
A.电熨斗 B.话筒 C.电饭锅 D.测温仪
3.如下图所示，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( )
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
4.如下图所示，R3是光敏电阻，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势，当用光照射电阻R3时，则( )
A.R3的电阻变小，a点电势高于b点电势
B.R3的电阻变小，a点电势低于b点电势
C.R3的电阻变大，a点电势高于b点电势
D.R3的电阻变大，a点电势低于b点电势
5.(2008浙江杭州高二检测)如下图是一火警报警装置的一部分电路示意图，其中R2是半导体热敏传感器，它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器.当传感器R2所在处出现火情时，电流表的电流I和a、b两端电压U与出现火情前相比( )
A.I变大，U变大 B.I变小，U变小
C.I变小，U变大 D.I变大，U变小
6.中国自主研制的“嫦娥一号”探月卫星于2007年11月7日正式进入距月面200千米的工作轨道，卫星的探测任务之一是描绘月球的立体图形，为实现这一探测目标，应为卫星配备( )
A.生物传感器 B.气敏传感器
C.磁传感器 D.光传感器
能力提升
7.如下图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是( )
A.当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就记数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就记数一次
8.如下图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与热敏电阻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___________(填“左”或“右”)移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向___________(填“左”或“右”)移动.
9.如下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，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I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A.I变大，U变大 B.I变大，U变小
C.I变小，U变大 D.I变小，U变小
10.按下图所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是_______________________；用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡________________，原因是______________；停止吹风，会发现，原因是；把热敏电阻放入冷水中会发现___________________________.
11.如下图所示，有的计算机键盘的每一个键下面都连一小块金属片，与该金属片隔有一定空气隙的是另一块小的固定金属片，这两块金属片组成一个小电容器.该电容器的电容C可用公式计算，式中常量e＝9×10－12 F·m－1，S表示金属片的正对面积，d表示两金属片间的距离.当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号.设每个金属片的正对面积为50 mm2，键未按下时两金属片的距离为0.6 mm.如果电容变化了0.25 pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少要被按下___________________mm.
拓展探究
12.下图表示普通电冰箱内温度控制器的结构.铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，构成了一个温度传感器，膜盒3为扁圆形(图中显示它的切面)，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接.盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀.测温泡1安装在冰箱的冷藏室中，5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作.弹簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上，连杆9的下端是装在机箱上的轴，凸轮8是由设定温度的旋钮(图中未画出)控制的，逆时针旋转时凸轮杆上端右移，从而加大了弹簧7的拉力.
(1)为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够自动开始工作，而在达到设定的低温后又自动停止工作?
(2)为什么用凸轮可以改变设定的温度?
参考答案
1解析：当楼道内有走动而发出声响时，声音传到声控传感器，传感器把声音信号转化为电信号.
答案：声音 电
2解析：电熨斗、电饭锅和测温仪都是把非电学量温度转换为电学量，都要使用温度传感器.话筒把非电学量声音转换为电学量，不是应用温度传感器.
答案：B
3解析：R2与灯泡L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C项正确，其余各项均错.
答案：C
4解析：当用光照射R3时，R3的电阻值减小，通过R3和R4的电流增加，R3的电压减小，R4的电压增加，a增加，a点电势高于b点电势.
答案：A
5解析：当传感器R2所在处出现火情时，温度升高，R2电阻减小，电路的总电阻减小，总电流I增大，路端电压Uab＝E－Ir减小，I(r＋R1)增大，U并＝E－I(r＋R1)减小，通过R3的电流I3减小，通过R2的电流I2＝I－I3增大，D项对.
答案：D
6解析：月球是一个特殊的星体，它上面无空气、生物和磁场，故只有光传感器可以达到探测目的.卫星上实际配备的是CCD相机和一个激光高度计，由相机拍摄月球的高精度图象与激光高度计所探测到的海拔高度相叠加就是一幅完整而精确的月球立体地形图.
答案：D
7解析：当光照射到光敏电阻R1上时，R1电阻减小，电路中电流增大，R2两端电压升高，信号处理系统得到高电压，计数器每由低电压转到高电压，就计一个数，从而达到自动计数目的.
答案：AD
8解析：热敏电阻为负温度系数的特性.若往RT上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻RT温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏.
答案：左 右
9解析：当传感器R2所在处出现火情时，温度升高，R2阻值减小，总电阻随R2的减小而减小，总电流增大，路端电压减小，报警器两端的电压U变小；R1两端电压因干路电流增大而增大，因路端电压减小；R3两端的电压减小，R3中电流就减小.故D项正确.
答案：D
10解答:由于热敏电阻阻值较大，左侧电路电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁 变亮 电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁 小灯泡不会立即熄灭 因为热敏电阻温度仍然较高 小灯泡熄灭
11解析：计算机键盘是一个电容传感器，由题意知是通过改变两极板间距来改变电容，得到相应的电信号.又因两极板间距减小，电容变大，设原间距为d0，至少要按下距离为d，电子线路恰能检测出必要的信号，则根据，，得：
m＝0.15×10－3 m，即d＝0.15 mm.
答案：0.15
12解答：(1)冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盒体膨胀，膜盒3通过小柱体带动弹簧片4，使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而在达到设定的低温时弹簧带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作.
(2)凸轮逆时针转动会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与弹性膜盒3共同控制弹簧片4的运动，而弹簧7上弹力的变化会改变设定的温度.
一、选择题
1．下列器件是应用光传感器的是( )
A．鼠标器 B．火灾报警器
C．测温仪 D．电子秤
解析：选A.测温仪应用温度传感器，火灾报警器利用烟雾传感器，电子秤是应用力传感器，鼠标应用光传感器．
2．传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是( )
A．生物传感器 B．红外传感器
C．温度传感器 D．压力传感器
解析：选C.空调机是根据温度调节工作状态的，所以其内部使用了温度传感器，故选项C正确．
3．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是( )
A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
解析：选C.传感器工作的一般流程为：非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量，因此A、B、D错误，C正确．
4.如图所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图．现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(设水对电阻阻值的影响不计)( )
A．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(用半导体材料制成)，读数变化非常明显
D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制成)，读数变化不明显
解析：选C.金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，但灵敏度较差．而热敏电阻(用半导体材料制成)灵敏度高，所以选C.
5．(多选)美国科学家Willard S. Boyle与George E. Smith因电荷耦合器件(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：选BC.热敏电阻和霍尔元件是常见的传感器，但干电池和发光二极管不能作为传感器，故B、C正确．
6．如图所示是电阻R随温度T变化的图象，下列说法中正确的是( )
A．图线1是热敏电阻的图象，它是用金属材料制成的
B．图线2是热敏电阻的图象，它可以用半导体材料制成
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、灵敏度低
解析：选B．图线1是金属热电阻的图象，金属热电阻的化学稳定性好，测量范围大，但是灵敏度较低，故选项A、C错误．图线2是热敏电阻的图象，热敏电阻可以用半导体材料制成，热敏电阻的化学稳定性差，测量范围小，但灵敏度高，故选项B正确，D错误．
7．如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当外电路的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化为( )
A．h增大 B．h减小
C．h不变 D．无法确定
解析：选A.由题意知，导线和导电液体构成电容器的两极，类似于平行板电容器的两极，当液面高度发生变化时相当于两极正对面积发生变化，会引起电容的变化，与平行板电容器类比可得，导电液体深度h增大时，导线芯和导电液体正对面积增大，电容器的电容值变大．
8．在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图所示．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻RM发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时( )
A．RM变大，且R越大，U增大越明显
B．RM变大，且R越小，U增大越明显
C．RM变小，且R越大，U增大越明显
D．RM变小，且R越小，U增大越明显
解析：选C.当RM变大时，回路的总电阻R总变大，根据I总＝，得干路中的电流变小，S两端的电压U＝I总RS变小，故选项A、B错误；当RM变小时，回路的总电阻R总＝＋RS变小，根据I总＝，得干路中的电流变大，S两端的电压U＝I总RS变大，而且R越大，RM变小时，对回路的总电阻变化的影响越明显，故选项C正确，选项D错误．
☆9.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
解析：选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，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度．
☆10.如图甲所示，质量不计的弹簧竖直固定在水平面上，t＝0时刻，将一金属小球从弹簧正上方某一高度处由静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后又被弹起离开弹簧，上升到一定高度后再下落，如此反复．通过安装在弹簧下端的压力传感器，测出这一过程弹簧弹力F随时间t变化的图象如图乙所示，则( )
A．t1时刻小球动能最大
B．t2时刻小球动能最大
C．t2～t3这段时间内，小球的动能先增加后减少
D．t2～t3这段时间内，小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能
解析：选C.0～t1时间内小球做自由落体运动，落到弹簧上并往下运动的过程中，小球重力与弹簧对小球弹力的合力方向先向下后向上，故小球先加速后减速，t2时刻到达最低点，动能为0，A、B错误；t2～t3时间内小球向上运动，合力方向先向上后向下，小球先加速后减速，动能先增加后减少，C正确；t2～t3时间内由能量守恒知小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能减去小球增加的重力势能，D错误．
二、非选择题
11.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________(填“左”或“右”)偏；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________(填“左”或“右”)偏．
解析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，指针应该向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减小，指针应该向右偏．
答案：左 右
12．有自动控制功能的蔬菜大棚，要靠传感器感知作物生长所需的各种信息．如图为蔬菜大棚内信息采集与自动控制示意图．试结合图上信息，分析讨论：
(1)在种植蔬菜大棚中要用到哪些传感器？它们的作用是什么？
(2)为了控制大棚中的蔬菜的生长条件，还需要哪些设施与传感器配合使用．
答案：(1)在蔬菜大棚中要用到检测光照的光敏传感器；检测温度的温度传感器；检测空气湿度和土壤湿度的湿度传感器；检测二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器等．
(2)配套设施有：调节光照的遮阳棚，调整温度的加热装置与通风装置，调整湿度的通风加湿装置和喷淋器，调整二氧化碳浓度的自动排气装置．
