第六章 传感器
第1节 传感器及其工作原理
[随堂演练]
1．(对传感器的理解)用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。下列属于这类传感器的是
A．红外报警装置
B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
解析 遥控器是利用红外线传输信号的，故A项正确。
答案 A
2．(光敏电阻的特性)如图6－1－8所示，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间距不变，闭合开关S后，下列说法中正确的是
图6－1－8
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
解析 当滑动触头P向左移动时，使其电阻减小，则流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R的阻值减小，通过灯泡L的电流增大，则L消耗的功率增大，A正确，B、D错误；当滑动触头P向右移动时，可分析出L消耗的功率变小，C错误。
答案 A
3．(热敏电阻的特性)如图6－1－9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6－1－9
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
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R2温度降低时，它的电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错。
答案 C
4．(霍尔元件原理分析及应用)(多选)如图6－1－10所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，相对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持电流I恒定，则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是
图6－1－10
A．增大穿过霍尔元件工作面的磁感应强度B时，UH将变大
B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化
解析
A
B增强，由UH＝k，知UH将变大
正确
B
地球两极处磁场可看作与地面垂直，所以工作面应保持水平
正确
C
赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直
错误
D
若磁场与工作面夹角为θ，则应有qvBsin θ＝q，可见θ变化时，UH将变化
正确
答案 ABD
[限时检测]
?题组一 对传感器的理解
1．人类发射的绕地球运转的所有航天器，在轨道上工作时都需要电能，所需要的电能都是由太阳能电池把太阳能转化为电能得到的，要求太阳能电池板总是对准太阳，为达到这一要求应利用下列哪种传感器来感知太阳方位
A．力传感器 B．光传感器
C．温度传感器 D．生物传感器
解析 太阳帆的有效采光面积不同，所产生的电流不同，当电流最大时正对太阳，所以应用的是光传感器，B对，A、C、D错。
答案 B
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 手靠近干手机后，使电容式传感器的电容改变，干手机内的电热器工作。
答案 D
3．(多选)电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置。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6－1－11所示是三个电容式传感器的示意图，关于这三个传感器的作用，下列说法正确的是
图6－1－11
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．这三个传感器都是利用改变极板间的正对面积来改变电容的
解析 甲、乙、丙中的电容器分别与θ、h、F有关，均能测量对应的物理量，甲、乙是通过改变极板间的正对面积改变电容，丙是通过改变极板间的距离改变电容。
答案 ABC
?题组二 光敏电阻的特性
4．如图6－1－12所示，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏角为θ′，则可判断
图6－1－12
A．θ′＝θ B．θ′＜θ
C．θ′＞θ 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，指针自左向右偏转角度变小。
答案 B
5．如图6－1－13甲所示，光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照，那么R2两端的电压变化是下列图中的
图6－1－13
解析 光敏电阻阻值随光照的增强而减小，根据题图乙知R2两端的电压随之同频率地先减小后增大，但不会是零，所以选B。
答案 B
6．(多选)如图6－1－14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，此光电计数器的工作原理是
图6－1－14
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计数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
解析 光电计数器的工作原理：当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压降低，信号处理系统得到低电压，计数器每由高电压变到低电压，就计一个数，从而达到自动计数的目的。
答案 AC
?题组三 热敏电阻的特性
7．(多选)如图6－1－15为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是
图6－1－15
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对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
解析 金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错，B对；图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高，所以C错，D对。
答案 BD
8．如图6－1－16所示是一个火灾报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料(负温度系数)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
图6－1－16
A．I增大，U增大 B．I减小，U减小
C．I减小，U增大 D．I增大，U减小
解析 当R2所在处出现火情时，半导体热敏材料制成的传感器的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路的欧姆定律可知：外电路的电压将减小，电路中的总电流增大，所以R1上的电压增大，R3两端的电压将减小，显示器的电流减小。故正确选项为B。
答案 B
9．(多选)如图6－1－17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6－1－17
A．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 因有光照射时，光敏电阻的阻值减小，故总电阻减小；由闭合电路的欧姆定律可知，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A错误；电源的效率η＝＝＝1－，电流增大，则电源效率减小，故B错误；电容器的电压与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，所以电容器的电压增大，根据Q＝CU可知，电容器所带电荷量一定增加，故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D正确。
答案 CD
10．如图6－1－18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，发现小灯泡亮度变化是变暗，发生这一现象的主要原因是
图6－1－18
A．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 电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻丝的电阻也增大，电路中电流减小，根据P＝I2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗。
答案 C
?题组四 霍尔元件原理分析及应用
11．(多选)如图6－1－19所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，铜板的前、后板面垂直于磁场，板内通有如图方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则
图6－1－19
A．电势φa＞φb
B．电势φb＞φa
C．电流增大时，|φa－φb|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电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转，所以φa＞φb，A对，B错；因|φa－φb|＝k，所以电流增大时，|φa－φb|增大，C对；若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向b侧偏转，|φa－φb|＝0，即不产生霍尔效应，故D选项错误。
答案 AC
12．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6－1－20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
图6－1－20
A．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A、B错误。设前、后表面间的最高电压为U，则＝qvB，所以U＝vBb，由此可知U与离子浓度无关，故C错误，因Q＝vbc，而U＝cBb，所以Q＝，D正确。
答案 D
13．一块N型半导体薄片(称霍尔元件)，其横截面为矩形，体积为b×c×d，如图6－1－21所示。已知其单位体积内的电子数为n、电阻率为ρ、电子电荷量为e。将此元件放在匀强磁场中，磁场方向沿z轴方向，并通有沿x轴方向的电流I。
图6－1－21
(1)此元件的C、C′两个侧面中，哪个面电势高？
(2)试证明在磁感应强度一定时，此元件的C、C′两个侧面的电势差与其中的电流成正比。
(3)磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度B的仪器。其测量方法为：将导体放在匀强磁场中，用毫安表测量通过的电流I，用毫伏表测量C、C′间的电压UCC′，就可测得B。若已知其霍尔系数k＝＝10 mV/mA·T。并测得UCC′＝0.6 mV，I＝3 mA。试求该元件所在处的磁感应强度B的大小。
解析 (1)因电子的运动方向与电流的方向相反，再由左手定则可知，电子向C面偏移，所以C′面电势较高。
(2)假设定向移动速度为v，由I＝，q＝nebdvt，可得：
I＝nebdv 稳定时有：Bev＝
可得：UCC′＝I，式中各量均为定值，所以侧面的电势差与其中的电流成正比。
(3)由(2)可知B＝，代入得：
B＝0.02 T。
答案 (1)C′面较高 (2)见解析 (3)0.02 T
课件47张PPT。第六章 传感器第1节 传感器及其工作原理[学习目标]
1.知道什么是传感器，理解非电学量转化成电学量的意义。
2．通过实验理解敏感元件的工作原理。
3．了解传感器在生活中的应用。一、什么是传感器
1．定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等________，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______)，或转换为电路的_____的元件。 物理量电学量通断2．非电学量转换为电学量的意义：把___________转换为电学量，可以方便地进行_______、传输、处理和_______。
二、光敏电阻、热敏电阻和金属热电阻
1．光敏电阻
(1)原理：无光照时，______________极少，导电性能______；随着__________的增强，载流子_____，导电性变好。
(2)作用：把___________________这个光学量转换为_______这个电学量。非电学量测量控制载流子不好光照增多光照强度电阻2．金属热电阻：金属的电阻率随着温度的升高而______。用金属丝制作温度传感器，称为_________。
3．热敏电阻：有些半导体在温度上升时导电能力_______，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。增大热电阻增强正 3．作用：把____________________这个磁学量转换为______这个电学量。磁感应强度电压判断下列说法的正误。
1．有光照射时，光敏电阻的阻值变大。( )
2．热敏电阻在温度升高时阻值变小。( )
3．金属热电阻在温度升高时阻值变小。( )
4．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。( )［自主思考］×√××5．霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。( )
6．霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。( )×√1．传感器的原理：传感器感受的通常是非电学量，如力、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。考点一 对传感器的认识2．传感器的组成和工作流程
(1)传感器的组成
①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。
②转换元件：是传感器中能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。
③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。[例 题] 传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图6－1－1中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成。图6－1－1压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V，g取10 m/s2。请回答：(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘________A处。
(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，则这个人的体重是________kg。
[思路引导]
(1)压敏电阻的阻值随压力如何变化。
(2)电流表的示数与压力有何关系。[答案] (1)1.6×10－2 (2)50规律总结
在分析传感器时要明确
1．核心元件是什么；
2．是怎样将非电学量转化为电学量的；
3．是如何显示或控制开关的。如图6－1－2是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。［变式训练］图6－1－2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。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。
(1)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”)。
(2)将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数变化有何不同？解析 (1)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。当油量减少时，R的数值会增大，电路中的电流会减小，c、d间的电压会减小。当把电压表接在c、d两点间，电压表的示数减小时，表示油量在减少。
(2)①把电压表接在b、c之间，油量增加时，R减小，电压表的示数减小油量减少时，R增大，电压表的示数增大。
②把电压表接在c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R′两端的电压增大，电压表的示数增大，同理，油量减少时，电压表的示数减小。
答案 (1)c、d 减小 (2)见解析1．光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、霍尔元件特性成因对比考点二 常见的传感器特别提醒 按热敏电阻随温度变化的规律，热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻，正温度系数的热敏电阻随温度升高，电阻增大，负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小。3．电容式传感器的原理及用途
(1)原理：电容器的电容C取决于极板正对面积S，极板间距离d及极板间电介质这几个因素，如果某一物理量(如角度θ、位移s、深度h等)的变化能引起上述某一因素的变化，从而引起电容的变化，那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。(2)用途图6－1－3图6－1－3(1)是用来测定角度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。
图(2)是测定液面高度h的电容式传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线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。图(3)是测定压力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。
图(4)是测定位移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。[题组突破]
1．(多选)(2018·苏州中学高二检测)如图6－1－4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图6－1－4A．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解析 光的强度是被测量，光敏电阻R3为光敏感元件，同时也是转换器件，当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误，由路端电压减小，而R1两端电压增大，可知R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C项正确，故选ABC。
答案 ABC2．如图6－1－5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)图6－1－5A．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为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化非常明显
D．如果R为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化不明显解析 金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，但灵敏度较差，而热敏电阻的阻值随温度的升高电阻减小，且灵敏度高，故选项C正确。
答案 C3．如图6－1－6所示，一段长方体形导电材料，左右两端面的边长都为a和b，内有带电量为q的某种自由运动电荷。导电材料置于方向垂直于其前表面向里的匀强磁场中，内部磁感应强度大小为B。当通以从左到导电材料置于方向垂直于其前表面向里的匀强磁场中，内部右的稳恒电流I时，测得导电材料上、下表面之间的电压为U，且上表面的电势比下表面的低，由此可得该导电材料单位体积内自由运动电荷数及自由运动电荷的正负分别为图6－1－6答案 C4．(多选)传感器是一种采集信息的重要器件，如图6－1－7所示，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，将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么图6－1－7A．当F向上压膜片电极时，电容将减小
B．当F向上压膜片电极时，电容将增大
C．若电流计有示数，则压力F发生变化
D．若电流计有示数，则压力F不发生变化 解析 向上压膜片电极时，距离d减小，电容增大，A错误、B正确；当电流计有示数时，表示电容器的电荷量发生变化，根据公式Q＝CU，即电容发生变化，压力F发生变化，C正确、D错误。
答案 BC［课堂回顾 知识小结］本节结束
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