第1节 传感器及其工作原理
一、选择题
1．(多选)关于传感器的作用，下列说法中正确的有( )
A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制
B．传感器可以用来采集信息
C．传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量
D．传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量
解析：选BC 传感器是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，不能直接用来进行自动控制，A选项错误；传感器可以用来采集信息，B选项正确；传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量，比如热敏电阻在温度升高时，电阻会变小，C选项正确，D选项错误．
2．下列说法正确的是( )
A．光敏电阻能够把电信号转换成光信号
B．干簧管是一种能够感知静电场的传感器
C．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
D．电容式位移传感器能够把电动势这个电学量转化为物体的位移这个力学量
解析：选C 光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，故A错误；干簧管是能够感知磁场的传感器，故B错误；霍尔元件是能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故C正确；电容式位移传感器是把位移这个力学量转化为电容这个电学量的，故D错误．
3．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．
4．传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器．如图所示，键盘上每一个键的下面都连一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两金属片组成一个小电容器．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够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号．这种计算机键盘使用的是( )
A．温度传感器 B．压力传感器
C．磁传感器 D．光传感器
解析：选B 电容器通过受压后变形从而将压力信号变成了电信号，键盘采用的是压力传感器，B选项正确．
5.如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两极板间的( )
A．距离变化 B．正对面积变化
C．介质变化 D．电压变化
解析：选A 人对着话筒说话时，振动膜前后振动，导致电容极板间距变化，使电容发生变化，A选项正确．
6.如图所示是观察电阻值随温度变化情况示意图．现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况，下列说法正确的是( )
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NTC热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变小，读数变化非常明显
D．如果R为NTC热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变小，读数变化不明显
解析：选C 如图所示，②是NTC热敏电阻的温度特性曲线，根据曲线的特点可以看出，当热敏电阻温度升高时，其电阻急剧减小；①是金属热电阻的温度特性曲线，其电阻的大小随温度均匀变化；故当R为金属热电阻时，水的温度升高，电阻的阻值变大，欧姆表的示数会变大．但由于热传导需要时间，故其电阻变化不灵敏，A、B错误；若电阻为NTC热敏电阻，其阻值随着温度的升高会迅速减小，欧姆表的示数也会迅速减小，C正确，D错误．
7．如图1所示为一种电容式位移传感器的原理图，当被测物体在左右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动，已知电容器的电容与电介质板进入电容器的长度x之间的关系如图2所示，其中C0为电介质没有插入电容器时的电容，为判断被测物体是否发生微小移动，将该电容式位移传感器与电源、电流表、开关组成串联回路(图中未画出)，被测物体的初始位置如图1所示，电路闭合一段时间后，下列说法正确的是( )
A．若电源为直流电源且直流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动
B．若电源为交流电源且交流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动
C．若电源为直流电源且直流电流表示数变大，说明物体一定在向右发生移动
D．若电源为交流电源且交流电流表示数变大，说明物体一定在向右发生移动
解析：选A 根据平行板电容器电容的决定式C＝可知，当电介质插入极板间的深度发生变化时，电容C发生变化，根据Q＝CU可知，电容器极板上的电量发生变化，会有电流通过电容器，若电源为直流电源且直流电流表示数不为零，说明物体一定在发生移动，A选项正确；电容具有“隔直流，通交流”的特点，若电源为交流电源，交流电流表示数不为零，不能说明物体一定在发生移动，B选项错误；若电源为直流电源且直流电流表示数变大，但没有说明电流的方向，不能判断出物体一定在向右发生移动，C选项错误；若电源为交流电源且交流电流表示数变大，可能是电路中的电动势发生了变化，物体不一定在向右发生移动，D选项错误．
8.(多选)传感器是把非电学量(如高度、温度、压力等)的变化转换成电学量变化的一种元件，它在自动控制中有着广泛的应用．如图是一种测定液面高度的电容式传感器的示意图．金属棒与导电液体构成一个电容器，将金属棒和导电液体分别与直流电源的两极相连接，从电容C和导电液与金属棒间的电压U的变化就能反映液面的升降情况，即
①电源接通后，电容C减小，反映h减小；
②电源接通后，电容C减小，反映h增大；
③电源接通再断开后，电压U减小，反映h减小；
④电源接通再断开后，电压U减小，反映h增大．
以上判断正确的是( )
A．① B．②
C．③ D．④
解析：选AD 分析图示可知，电容器的两个极板分别是金属棒与导电液，h增大表示电容器的正对面积增大，电容就增大，h减小，C减小，①正确，②错误；充电后断开，则电量Q不变，U＝，U减小，则C增大，说明h增大，③错误，④正确，选AD.
9．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．在其它条件不变的情况下，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．
10．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是( )
A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
解析：选D 在0～t1内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由小球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2内，I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，A、B均错误；在t2～t3内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确．
二、非选择题
11．如图所示是自动控制电路的原理图，a、b间电压恒定，R1为光敏电阻，R2为定值电阻．当电路中的光敏电阻不受光的照射时用电器可以正常工作．当光敏电阻受光的照射时，其阻值和电流表的示数如何变化？用电器工作状态怎样？
解析：分析问题时，首先要根据光敏电阻的光敏特性，明确电路中电阻如何变化，然后再运用电路的相关知识进行判断．受光照射时，光敏电阻的阻值会减小为原来的～，所以当光照射光敏电阻时，电路总阻值变小，干路电流增大很多，R2两端电压增大很多，并联部分的电压变得很小，用电器停止工作，电流表示数变得很小．
答案：光敏电阻阻值减小，电流表的示数减小；用电器停止工作
12．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的．如图甲中，电源的电动势E＝9.0 V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的R-t图线所示，闭合开关，当R的温度等于120 ℃时，电流表示数I1＝3 mA，求：
(1)电流表G的内阻Rg；
(2)当电流表的示数I2＝1.8 mA时，热敏电阻R的温度．
解析：(1)由图乙知热敏电阻R的温度在120 ℃时，电阻为2 kΩ，闭合电路的电流为I1＝3 mA
根据闭合电路欧姆定律得：
Rg＝－R＝Ω＝1 000 Ω.
(2)当电流表的示数I2＝1.8 mA时
R＝－Rg＝ Ω＝4 000 Ω
由图乙可知当热敏电阻R阻值为4 000 Ω时的温度为20 ℃.
答案：(1)1 000 Ω (2)20 ℃
13．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？________(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
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