6.1传感器及其工作原理
一 夯实基础
1．(多选)传感器担负着信息采集的任务，它可以( )
A．将力学量(如形变量)转变成电学量
B．将热学量转变成电学量
C．将光学量转变成电学量
D．将电学量转变成力学量
解析：选ABC 传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类元件，故选项A、B、C对，选项D错．
2．数码相机的普及逐渐淘汰了传统胶片相机．数码相机的主要部件是电荷耦合器(CCD)，能将光学量转化为电学量．该部件可看做一种( )
A．力传感器 B．温度传感器
C．光传感器 D．霍尔元件
解析：选C 因为CCD能把光学量转化为电学量，因而是一种光传感器．
3.关于传感器，下列说法正确的是( )
A．所有传感器都是由半导体材料做成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D．以上说法都不正确
解析：选B 大多数传感器是由半导体材料做成的，某些金属也可以做传感器，如金属热电阻．传感器将非电学信号转换为电学信号，因此传感器感知的应该是“非电学信号”，故只有B正确．
4.(多选)如图所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化．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
解析：选CD 干簧管能感知磁场，因为两个舌簧由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个舌簧被磁化，就会相互吸引，所以是作开关来使用、作为控制元件以实现自动控制的，故C、D正确．
5．当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上．你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息( )
A．温度 B．运动
C．人 D．光线
解析：选D 自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，则在夏季自动门将无法使用．自动门实际使用的是红外线传感器，红外线属于不可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机，实现自动开、关门，故D正确．
6.如图所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为θ′，则可判断( )
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，由欧姆挡左侧阻值大，右侧阻值小的特点知，指针右偏，且指针自左向右的偏转角度变小．故选B.
答案 B
7.(多选)如图是测试热敏电阻R的实验电路图，滑动变阻器已调节到某一适当的值．实验中观察到当温度升高时灯更亮．对实验现象分析正确的有( )
A．温度升高，电路中的电流减小
B．温度升高，电路中的电流增大
C．温度升高，热敏电阻的阻值增大
D．温度升高，热敏电阻的阻值减小
解析 热敏电阻随温度的升高，电阻值变小，根据闭合电路欧姆定律可知，温度升高，电路中的电流增大，A、C选项错误，B、D选项正确．
答案 BD
8.(多选)对负温度系数的热敏电阻，正确的叙述是( )
A．受热后，电阻随温度的升高而迅速减小
B．受热后，电阻基本不变
C．热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度，反应快，而且精确度高
D．以上说法都不对
解析：选AC 负温度系数的热敏电阻随温度的升高其电阻减小，热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度，反应快，而且精确度高．
9.霍尔元件能转换哪两个量( )
A．把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
B．把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量
C．把力转换为电压这个电学量
D．把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
解析：选B 霍尔电压U＝，它是把磁感应强度这个非电学量转换为电压这个电学量，故B正确．
10.如图所示，电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为h，有一磁感应强度为B的匀强磁场，垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？
解析 因为载流子是自由电子，根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向(即电流方向)，拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，则上表面积累负电荷，下表面就出现等量的正电荷，即下表面的电势高．当电场力与洛伦兹力平衡时，上、下表面的电压稳定，即eE场＝＝evB
又导体中的电流I＝nevs＝nevhd，
可求得U＝
答案 下表面的电势高
二 提升训练
1.(多选)数码相机和数码摄像机在人们生活中的应用越来越普及．在数码摄像器材中，使用了一种新型的敏感元件，叫电荷耦合器(CCD)，下列关于CCD的说法正确的是( )
A．它能将光信号转换成模拟电信号
B．它能将模拟电信号转换为数字电信号
C．它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件
D．它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个热敏元件
解析：选AC CCD是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件，每个光敏元件都把它所受到的光转换成相应量的电荷，于是整块CCD就把一幅图象的光信号转换成相应的模拟电信号，然后再通过A/D转换器转换为数字信号，以便于计算机处理，故选项A、C正确．
2.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 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．F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度．故选A.
答案 A
3.(多选)传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以及家庭生活等各种领域，下图所示为几种电容式传感器，其中通过改变电容器两极间正对面积而引起电容变化的是( )
解析：选AC 图A中通过转动动片来改变正对面积，改变电容，A选项正确；图B中是通过加入电介质来改变电容的，B选项错误；图C中是通过导电液体深度的变化来改变正对面积，改变电容的，C选项正确；图D中是通过压力的变化来改变极板间距来改变电容的，D选项错误．
4．(多选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图所示．Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电．当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流．在膜片向右运动的过程中( )
A．电容变大
B．电容变小
C．导线AB中有向左的电流
D．导线AB中有向右的电流
解析：选AC 声波使膜片向右振动，MN间距减小，电容变大，A正确，B错误；MN间的电压不变，由Q＝CU知Q变大，继续充电，则导线AB中有向左的电流，C正确，D错误．
5.(2019·闽侯县月考)如图为一种利用电磁原理制作的充气泵的结构示意图，其工作原理类似打点计时器．当电流从电磁铁的接线柱a流入，吸引小磁铁向下运动时，以下选项中正确的是( )
A．电磁铁的上端为N极，小磁铁的下端为N极
B．电磁铁的上端为S极，小磁铁的下端为S极
C．电磁铁的上端为S极，小磁铁的下端为N极
D．电磁铁的上端为N极，小磁铁的下端为S极
解析：选C 当电流从电磁铁的接线柱a流入时，根据安培定则可知，电磁铁的上端为S极，根据同极相斥、异极相吸的原理可知，小磁铁的下端为N极，C选项正确．
6．(多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时( )
A．电容器C的带电量增大
B．电压表的读数增大
C．电容器C两板间的电场强度减小
D．R1消耗的功率增大
解析：选AB 当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，A正确，C错误．
7.电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称“霍尔转把”，属于传感器非接触控制．转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲．开启电源时，在霍尔器件的上下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙．随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的电压，已知电压与车速关系如图丙．以下关于“霍尔转把”叙述正确的是( )
A．为提高控制的灵敏度，永久磁铁的上、下端分别为N、S极
B．按图甲顺时针转动电动车的右把手，车速将变快
C．图乙中从霍尔器件的左右侧面输出控制车速的霍尔电压
D．若霍尔器件的上下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速控制
解析：选B 根据霍尔元件的工作原理可知，在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形成电流，当永久磁铁的上下端分别为N、S极时，磁场与电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作用，霍尔器件不能输出控制车速的电势差，A选项错误；当按图甲顺时针转动把手，导致霍尔器件周围的磁场增加，那么霍尔器件输出控制车速的电势差增大，因此车速变快，B选项正确；永久磁铁的N、S极可能在左、右侧面，或在前、后表面，因此从霍尔器件输出控制车速的电势差，不一定在霍尔器件的左、右侧面，也可能在前、后表面，C选项错误；当霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，从霍尔器件输出控制车速的电势差正负号相反，但由图丙可知，不会影响车速控制，D选项错误．
8.随着电子技术的发展，霍尔传感器被广泛应用在汽车的各个系统中．其中霍尔转速传感器在测量发动机转速时，情景简化如图甲所示，被测量转子的轮齿(具有磁性)每次经过霍尔元件时，都会使霍尔电压发生变化，传感器的内置电路会将霍尔电压调整放大，输出一个脉冲信号，霍尔元件的原理如图乙所示．下列说法正确的是( )
A．霍尔电压是由于元件中定向移动的载流子受到电场力作用发生偏转而产生的
B．若霍尔元件的前端电势比后端低，则元件中的载流子为负电荷
C．在其他条件不变的情况下，霍尔元件的厚度c越大，产生的霍尔电压越高
D．若转速表显示1 800 r/min，转子上齿数为150个，则霍尔传感器每分钟输出12个脉冲信号
解析：选B 载流子受磁场力而偏转，故A错误；由左手定则可判断出载流子受力向前端偏转，若前端电势变低，意味着载流子带负电，故B正确；霍尔电压UH＝，c越大，UH越小，故C错误；每个轮齿经过，都会引发一次脉冲，则每分钟脉冲数量为270 000个，故D错误．
9.如图所示，厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U＝k，式中的比例系数k称为霍尔系数．霍尔效应可解释如下：外部磁场产生的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场．横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的电场力．当电场力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差．
设电流I是由电子的定向移动形成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为e，回答下列问题：
(1)达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势________(填“高于”“低于”或“等于”)下侧面A′的电势．
(2)电子所受的洛伦兹力的大小为________．
(3)当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的电场力的大小为________．
(4)由电场力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数为k＝，其中n代表导体板单位体积中电子的个数．
解析：(1)导体中电子运动形成电流，电子运动方向与电流方向相反，利用左手定则可判定电子向A板偏，A′板上出现等量正电荷，所以A板电势低于A′板电势．
(2)洛伦兹力大小F＝Bev.
(3)F电＝Ee＝e.
(4)由F＝F电得Bev＝e，即U＝hvB，导体中通过的电流I＝nev·d·h，由U＝k，得hvB＝k，即hvB＝k，得k＝.
答案：(1)低于 (2)evB (3)e (4)见解析
10.如图所示为检测某传感器的电路图．传感器上标有“3 V 0.9 W”的字样(传感器可看做一个纯电阻)，滑动变阻器R0上标有“10 Ω 1 A”的字样，电流表的量程为0.6 A，电压表的量程为3 V．则
(1)传感器的电阻为________Ω，额定电流为________A.
(2)为了确保电路各部分的安全，在a、b之间所加的电源电压最大值是________V.
(3)如果传感器的电阻变化超过标准值1 Ω，则该传感器就失去作用．实际检测时，将一个恒压电源加在图中a、b之间．闭合开关S，通过调节R0来改变电路中的电流和R0两端的电压．检测记录如下：
电压表示数U/V 电流表示数I/A
第一次 1.48 0.16
第二次 0.91 0.22
若不计检测电路对传感器电阻的影响，你认为这个传感器是否仍可使用？________(选填“可以”或“不可以”)，此时a、b所加的电压是________V.
解析：(1)根据功率公式可知，传感器的电阻R传＝＝10 Ω；I传＝＝0.3 A.
(2)为了确保电路各部分安全，要求电路的最大电流Im＝I传＝0.3 A，此时电源电压最大值：Um＝U传＋U0，其中U0＝I传Rm＝3 V，电源电压最大值Um＝U传＋U0＝6 V.
(3)第一次实验时，a、b两端电压U＝I1R传′＋U1＝0.16 A×R传′＋1.48 V；
第二次实验时，a、b两端电压U＝I2R传′＋U2＝0.22 A×R传′＋0.91 V，联立解得，R传′＝9.5 Ω，U＝3 V．传感器的电阻变化为ΔR＝R传－R传′＝0.5 Ω<1 Ω.此传感器仍可使用．
答案：(1)10 0.3 (2)6 (3)可以 3
6.1传感器及其工作原理
一 夯实基础
1．(多选)传感器担负着信息采集的任务，它可以( )
A．将力学量(如形变量)转变成电学量
B．将热学量转变成电学量
C．将光学量转变成电学量
D．将电学量转变成力学量
2．数码相机的普及逐渐淘汰了传统胶片相机．数码相机的主要部件是电荷耦合器(CCD)，能将光学量转化为电学量．该部件可看做一种( )
A．力传感器 B．温度传感器
C．光传感器 D．霍尔元件
3.关于传感器，下列说法正确的是( )
A．所有传感器都是由半导体材料做成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D．以上说法都不正确
4.(多选)如图所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化．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
5．当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上．你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息( )
A．温度 B．运动
C．人 D．光线
6.如图所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为θ′，则可判断( )
A．θ′＝θ
B．θ′<θ
C．θ′>θ
D．不能确定
7.(多选)如图是测试热敏电阻R的实验电路图，滑动变阻器已调节到某一适当的值．实验中观察到当温度升高时灯更亮．对实验现象分析正确的有( )
A．温度升高，电路中的电流减小
B．温度升高，电路中的电流增大
C．温度升高，热敏电阻的阻值增大
D．温度升高，热敏电阻的阻值减小
8.(多选)对负温度系数的热敏电阻，正确的叙述是( )
A．受热后，电阻随温度的升高而迅速减小
B．受热后，电阻基本不变
C．热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度，反应快，而且精确度高
D．以上说法都不对
9.霍尔元件能转换哪两个量( )
A．把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
B．把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量
C．把力转换为电压这个电学量
D．把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
10.如图所示，电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为h，有一磁感应强度为B的匀强磁场，垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？
二 提升训练
1.(多选)数码相机和数码摄像机在人们生活中的应用越来越普及．在数码摄像器材中，使用了一种新型的敏感元件，叫电荷耦合器(CCD)，下列关于CCD的说法正确的是( )
A．它能将光信号转换成模拟电信号
B．它能将模拟电信号转换为数字电信号
C．它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件
D．它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个热敏元件
2.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
3.(多选)传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以及家庭生活等各种领域，下图所示为几种电容式传感器，其中通过改变电容器两极间正对面积而引起电容变化的是( )
4．(多选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图所示．Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电．当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流．在膜片向右运动的过程中( )
A．电容变大
B．电容变小
C．导线AB中有向左的电流
D．导线AB中有向右的电流
5.(2019·闽侯县月考)如图为一种利用电磁原理制作的充气泵的结构示意图，其工作原理类似打点计时器．当电流从电磁铁的接线柱a流入，吸引小磁铁向下运动时，以下选项中正确的是( )
A．电磁铁的上端为N极，小磁铁的下端为N极
B．电磁铁的上端为S极，小磁铁的下端为S极
C．电磁铁的上端为S极，小磁铁的下端为N极
D．电磁铁的上端为N极，小磁铁的下端为S极
6．(多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时( )
A．电容器C的带电量增大
B．电压表的读数增大
C．电容器C两板间的电场强度减小
D．R1消耗的功率增大
7.电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称“霍尔转把”，属于传感器非接触控制．转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲．开启电源时，在霍尔器件的上下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙．随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的电压，已知电压与车速关系如图丙．以下关于“霍尔转把”叙述正确的是( )
A．为提高控制的灵敏度，永久磁铁的上、下端分别为N、S极
B．按图甲顺时针转动电动车的右把手，车速将变快
C．图乙中从霍尔器件的左右侧面输出控制车速的霍尔电压
D．若霍尔器件的上下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速控制
8.随着电子技术的发展，霍尔传感器被广泛应用在汽车的各个系统中．其中霍尔转速传感器在测量发动机转速时，情景简化如图甲所示，被测量转子的轮齿(具有磁性)每次经过霍尔元件时，都会使霍尔电压发生变化，传感器的内置电路会将霍尔电压调整放大，输出一个脉冲信号，霍尔元件的原理如图乙所示．下列说法正确的是( )
A．霍尔电压是由于元件中定向移动的载流子受到电场力作用发生偏转而产生的
B．若霍尔元件的前端电势比后端低，则元件中的载流子为负电荷
C．在其他条件不变的情况下，霍尔元件的厚度c越大，产生的霍尔电压越高
D．若转速表显示1 800 r/min，转子上齿数为150个，则霍尔传感器每分钟输出12个脉冲信号
9.如图所示，厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U＝k，式中的比例系数k称为霍尔系数．霍尔效应可解释如下：外部磁场产生的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场．横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的电场力．当电场力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差．
设电流I是由电子的定向移动形成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为e，回答下列问题：
(1)达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势________(填“高于”“低于”或“等于”)下侧面A′的电势．
(2)电子所受的洛伦兹力的大小为________．
(3)当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的电场力的大小为________．
(4)由电场力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数为k＝，其中n代表导体板单位体积中电子的个数．
10.如图所示为检测某传感器的电路图．传感器上标有“3 V 0.9 W”的字样(传感器可看做一个纯电阻)，滑动变阻器R0上标有“10 Ω 1 A”的字样，电流表的量程为0.6 A，电压表的量程为3 V．则
(1)传感器的电阻为________Ω，额定电流为________A.
(2)为了确保电路各部分的安全，在a、b之间所加的电源电压最大值是________V.
(3)如果传感器的电阻变化超过标准值1 Ω，则该传感器就失去作用．实际检测时，将一个恒压电源加在图中a、b之间．闭合开关S，通过调节R0来改变电路中的电流和R0两端的电压．检测记录如下：
电压表示数U/V 电流表示数I/A
第一次 1.48 0.16
第二次 0.91 0.22
若不计检测电路对传感器电阻的影响，你认为这个传感器是否仍可使用？________(选填“可以”或“不可以”)，此时a、b所加的电压是________V.
