1 传感器及其工作原理
1．传感器
(1)定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的元件．
(2)传感器的原理：
―→―→
现今，无人机已进入实用阶段，你猜想无人机上应该有哪些传感器？
提示：无人机上应该有能感知速度、加速度、角速度、距离、力、光照等物理量的传感器．
2．干簧管
结构：如图，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片．
作用：在电路中起到开关的作用，它是一种能够感知磁场的传感器．
3．光敏电阻
(1)特点：光照越强，电阻越小．
(2)原因：无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好．
(3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．
4．热敏电阻和金属热电阻
日常生活中哪些用电器是利用热敏电阻、光敏电阻实现自动控制的？
提示：利用热敏电阻的有：冰箱启动器、电饭锅等；利用光敏电阻的有：照相机、光控开关、报警器、验钞机等．
5．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：如图所示，E、F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，UH＝k.
(3)作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．
考点一 传感器的工作原理
1．传感器
传感器能够感受诸如位移、力、温度、光、声、化学成分等非电信息，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流、电阻等电信息，或转化为电路的通断．传感器是通过测量外界的物理量、化学量或生物量来捕捉和识别信息，并将被测量的非电信息转换成电信息的装置．
2．传感器的基本原理
传感器感受的通常是非电信息，而它输出的通常是电信息，不过这些输出信号往往是非常微弱的，一般需要经过放大后，再输送给控制系统产生各种控制动作．其工作过程可由下图表示．
(1)非电信息：如位移、力、温度、光、声、化学成分、浓度、酸碱度等．
(2)敏感元件：是传感器的核心，相当于人的感觉器官，能直接感受被测量的非电信息并将其转换成与被测量的非电信息有一定关系的易于测量的物理量．
(3)转换元件：通常不能直接感受被测量的非电信息，而是将敏感元件输出的物理量转换为电信号输出．
(4)转换电路：将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电信息．
(5)电信息：如电压、电流、电阻等．
【例1】 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为了模仿汽车油表原理，自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．如图所示，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．小阳同学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，你认为电压表应该接在图中的________(选填“a、b”“b、c”或“c、d”)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”)．
解答本题时，可按以下思路分析：
―→―→―→
[答案] b、c 增大
[解析] 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，所以电压表接在b、c之间，当油量减少时，电压表示数将增大．
总结提能
(1)各类传感器工作原理虽不完全相同，但都是把非电学量转换为电学量．
(2)传感器输出的电学量有电流、电压及电路通断等多种形式．
(3)解此类问题的基本思路：
分析电路结构→研究电阻的变化→判断(计算)电流、电压的变化．
为解决楼道里的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路相接．当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为声电传感器，它输入的是声信号，经传感器转换后，输出的是电信号．
解析：楼道内的电灯是声控的，通过声音控制把声信号转化为电信号．
考点二 光敏电阻 热敏电阻和金属电阻
1．光敏电阻
(1)作用
光敏电阻在被光照射时电阻会发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量．
(2)变化特点
光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照射时，电阻发生变化．原因是无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性增强．
2．热敏电阻和金属热电阻
(1)热敏电阻
①热敏电阻一般是用半导体材料制成的，其电阻值随温度的变化非常明显．如图所示为某一热敏电阻的电阻－温度特性图线．
②热敏电阻的两种型号及其特点
热敏电阻是电阻值随温度变化而变化的敏感元件．在其工作温度范围内，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻．常用的是负温度系数热敏电阻．
(2)金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属也可以制成温度传感器，称为热电阻．
注意：与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差．
1.光电传感器,光电传感器是一种能感受光信号，并按照一定规律把光信号转换成电信号的器件或装置.,常见的光电传感器除了光敏电阻外，还有光敏晶体管、光电二极管、光电三极管等，它们都是利用某些物质在光照射下电学特性随之变化的性质制成的.,2.温度传感器,温度传感器是一种能将温度变化转换成电学量变化的装置.它通过测量传感器元件的电学量随温度的变化来实现温度的测量.,常见的温度传感器有热敏电阻和热电偶等.
【例2】 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的距离不变，下列说法正确的是( )
A．当滑片P向左移动时，灯泡消耗的功率增大
B．当滑片P向左移动时，灯泡消耗的功率减小
C．当滑片P向右移动时，灯泡消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动滑片P，灯泡消耗的功率都不变
解答本题的基本思路如下：
[答案] A
[解析] 当滑片P向左移动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过发光二极管的电流增大，发光二极管发出的光增强，光敏电阻的阻值减小，流过灯泡的电流增大，灯泡消耗的功率增大，选项A正确，B错误；当滑片P向右移动时，发光二极管所在支路的电阻增大，电流减小，发光二极管发出的光减弱，光敏电阻的阻值增大，流过灯泡的电流减小，灯泡消耗的功率减小，选项C、D错误．
总结提能
对于光敏电阻、热敏电阻与电路相结合的试题，首先要掌握阻值随光照或温度变化的情况，其次要会应用闭合电路或部分电路欧姆定律分析电路中的电流、电压、功率的变化情况．
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，表针将向左(填“左”或“右”)移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向右(填“左”或“右”)移动．
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，所以电流减小，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．
考点三 霍尔元件
1．霍尔元件
如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件．
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．
2．霍尔电压
如上图所示，在E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则薄片中的载流子同时受到电场力和磁场力的作用．当电场力与磁场力平衡时，M、N间电势差达到恒定．设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，则q＝qvB.
又因为电流的微观表达式为I＝nqSv，所以UH＝.
因为同一材料单位体积内载流子的个数n、单个载流子的电荷量q均为定值，令k＝，所以
UH＝k(霍尔电压)
注意：载流子根据霍尔材料的不同而不同，其中金属导体的载流子为电子，而半导体的载流子因材料不同而不同．
1.霍尔电压UH＝k中，k为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关.,2.判断电势的高低时要注意载流子是正电荷还是负电荷.
【例3】 [多选]霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成为品种多样的磁传感器品族，得到广泛的应用．如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I由正电荷的定向运动形成．下列说法正确的是( )
A．M点电势比N点电势高
B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度
C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量
D．若保持电流I恒定，则霍尔电压UH与B成正比
解答本题的关键是弄清以下两点：
(1)要判断M点电势与N点电势的高低，需要用左手定则判断正电荷在洛伦兹力作用下运动的方向；
(2)掌握霍尔电压的公式UH＝k并理解各个物理量的含义．
[答案] BCD
[解析] 当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集，M极感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，选项A错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B、C正确；因霍尔电压UH＝k，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确．
总结提能
霍尔元件两极间通入恒定的电流，同时外加与薄片垂直的磁场时，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下向着与电流和磁场方向都垂直的方向漂移，在两极上形成电压(霍尔电压)．
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，这种转动把手称为“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( B )
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：由于在霍尔器件的上、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，磁场方向与电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作用，则霍尔器件不能输出控制车速的霍尔电压，故A错误；当按图甲顺时针转动电动车的右把手，霍尔器件周围的磁场增强，则霍尔器件输出控制车速的霍尔电压增大，因此车速将变快，故B正确；根据题意，结合图乙的示意图，则永久磁铁的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霍尔电压，不一定在霍尔器件的左、右侧面，也可能在前、后面，故C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霍尔电压正负号相反，由图丙可知，不会影响车速控制，故D错误.
1．关于传感器的下列说法正确的是( B )
A．所有传感器的材料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：半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以A错，B正确，传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，所以C错．
2．[多选]下列说法正确的是( ABD )
A．传感器担负着信息采集的任务
B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器
C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件
D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具
解析：传感器的任务就是采集信息，A对；干簧管的主要构造是由平行不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的，它靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，B对；由传感器的定义知D对．
3．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( B )
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，选项B正确，选项A、C、D错误．
4．[多选]如图甲所示，打开电流传感器和电压传感器，将磁铁置于螺线管正上方距海绵垫高为h处由静止释放，磁铁穿过螺线管后掉落到海绵垫上并静止．若磁铁下落过程中受到的磁阻力远小于磁铁重力，且不发生转动，不计线圈电阻．图乙是计算机荧屏上显示的UI－t曲线，其中的两个峰值是磁铁刚进入螺线管内部和刚从内部出来时产生的．下列说法正确的是( BD )
A．若仅增大h，两个峰值间的时间间隔会增大
B．若仅减小h，两个峰值都会减小
C．若仅减小h，两个峰值可能会相等
D．若仅减小滑动变阻器接入电路中的电阻值，两个峰值都会增大
解析：若仅增大h，磁铁经过螺线管的时间减小，两个峰值间的时间间隔会减小，故A错误；仅减小h时，磁铁进入螺线管的速度减小，导致螺线管中磁通量的变化率减小，因此两个峰值都会减小，且两个峰值不可能相等，故B正确，C错误；根据闭合电路欧姆定律可知，仅减小滑动变阻器接入电路的阻值，则回路中的感应电流增大，则电功率P＝UI增大，两个峰值都会增大，故D正确．
5．一块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.
(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之中，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．
答案：(1)C′面较高 (2)见解析 (3)0.02
T
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 I＝q/t
q＝nebdvt 可得I＝nebdv
稳定时有：Bev＝eUCC′/b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)由以上可知B＝代入得：B＝0.02
T.
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-2 传感器的应用
1．传感器工作的一般模式
声控电灯开关是如何工作的？
提示：话筒作为声音传感器，把声音转化为电信号，集成电路把电信号放大，使继电器工作，完成对电灯开关的控制．
2．力传感器的应用——电子秤
(1)力传感器的构造：它是由金属架和应变片组成，应变片是一种敏感元件，多用半导体材料制成．
(2)力传感器的工作原理如图所示：弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小．
F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小．因此可得，外力越大，得出的电压差值也就越大．
(3)应变力传感器的作用：它能够把物体形变这个力学量转换成电压这个电学量．
3．温度传感器的应用——电熨斗
(1)电熨斗的构造(如图所示)：
(2)双金属片温度传感器的作用是控制电路通断，双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属．
4．温度传感器的应用——电饭锅
电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体，它具有这样的性质：常温下具有铁磁性，能被磁体吸引，当温度上升到约103
℃时，就失去铁磁性，不能被磁体吸引，因此103
℃这个临界温度直接决定了开关的动作．
5．光传感器的应用——火灾报警器
烟雾式火灾报警器的结构如图，烟雾上升，到达天花板底下，烟感报警器通过烟发现火灾，所以烟雾式火灾报警器安装在天花板上．
有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，其带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．
用电饭锅烧水，水开后能否自动断电？
提示：不能，因为水沸腾后水温保持100
℃不变，没有达到居里点，故不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103
℃才能自动断电．
考点一 力传感器的应用
1．应变式力传感器的构造
如图所示，应变式力传感器由金属架和应变片组成．其中，应变片是一种敏感元件．
2．应变式力传感器的工作原理
如上图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小．因此可得，力F越大，输出的电压差值就越大．
3．应变式力传感器的作用
应变式力传感器能够把压力这个力学量转换成电压这个电学量．
1.对应变片的认识
应变片一般是用半导体材料制成的，当应变片的表面被拉伸时，其电阻变大，当它的表面被压缩时，其电阻变小．作用在应变式力传感器上的力越大，它输出的电压差值越大．
2．认识电容式力传感器
下图是测定压力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，这样就可以知道F的变化情况．
【例1】 如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，总阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动．弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连．若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g.
(1)求托盘上未放置物体时，在托盘自身重力作用下，P1与A端的距离x1；
(2)求托盘上放置质量为m的物体时，P1与A端的距离x2；
(3)在托盘上未放置物体时通常先校准零点，其方法是：调节P2，使P2离A端的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．
解答本题的关键是掌握以下两点：
(1)物体放在托盘上，物体和托盘重力的大小与弹簧的弹力大小相等，故弹簧的形变量可由胡克定律求出；
(2)电阻AB间的电流保持恒定，两滑动头间的电压与两触点间的距离成正比，而两触点间的距离与弹簧的形变量相等．
[答案] (1) (2) (3)m＝
[解析] 托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀滑线电阻，则其阻值与长度成正比．
(1)由力的平衡知识得m0g＝kx1，解得x1＝
(2)放上物体m重新平衡后，有m0g＋mg＝kx2
解得x2＝
(3)由闭合电路欧姆定律得
U＝IR串(R串为P1、P2间的电阻，I为通过滑线电阻的电流)
又E＝IR，因而有＝＝(x为P1、P2间的距离)
则x＝x2－x1＝，联立解得m＝.
【点评】 力传感器能够把物体的形变转换为电压或电流的变化，外力越大，电压或电流的变化就越大，由变化的差值大小，可以得知外力的大小．力传感器的种类繁多，在具体应用中，应能依据其特性，综合利用其他知识进行分析与计算．
总结提能
物理传感器是将所感受到的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件．我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：
(1)信息采集；
(2)信息加工、放大、传输；
(3)利用所获得的信息执行某种操作．
加速度传感器如图甲所示．较重的滑块2可以在光滑的框架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着；R为滑动变阻器，4是滑片，它与滑动变阻器任一端间的电阻值都与它到这端的距离成正比．工作时将框架固定在被测物体上，使弹簧及滑动变阻器R均与物体的运动方向平行．当被测物体加速运动时，滑块将在弹簧的作用下，以同样的加速度运动．通过电路中电压表的读数，可以得知加速度的大小．电压表为指针式直流电压表(可视为理想电压表)．
(1)电压表零刻度在表盘中央(即可显示正负电压)，当P端的电势高于Q端时，指针向零点左侧偏转．当物体具有图示方向的加速度a时，电压表的指针将向零点右(填“左”或“右”)侧偏转．
(2)若将电压表的表盘换成直接表示加速度大小及方向的刻度盘，则表盘的刻度均匀(填“均匀”或“非均匀”)分布．
(3)电压表是由灵敏电流计改装而成的，灵敏电流计表盘如图乙所示．当被测物体具有图示方向、大小为1
m/s2的加速度时，滑片4从MN的中央向某侧平移的距离为MN总长的，且滑片4在M或N端时，灵敏电流计示数最大．以图示方向为加速度正方向，若将灵敏电流计的表盘换成直接表示加速度大小及方向的刻度盘，则灵敏电流计表盘上－30刻度线对应的加速度为－3_m/s2.
解析：(1)当物体具有题图所示方向的加速度a时，滑块左移，滑片与M之间的电阻减小，故P端的电势降低，所以P端的电势低于Q端，则电压表的指针将向零点右侧偏转．
(2)设加速度为a时，电压表的读数为U，则2kx＝ma，
又U＝·2E，联立解得U＝a，
由于U与a成正比，所以表盘的刻度均匀分布．
(3)由U＝a可知，当a＝1
m/s2时，x＝，则此时U＝，则当U＝Um时，a＝3
m/s2，即灵敏电流计表盘上－30刻线处对应的加速度为－3
m/s2.
考点二 温度传感器的应用
1．电熨斗
(1)双金属片传感器
在温度传感器中，有一种双金属片传感器，它把两种不同热膨胀系数的金属片贴合在一起，制成一条双金属片，温度变化时，因为两种金属片伸长不一样而发生弯曲，使电路的开关闭合或断开．在日光灯启动器和电熨斗中都有这种双金属片传感器．
(2)电熨斗的工作原理
如图所示，这是一个电熨斗的内部图，熨烫衣物时需要一定的温度．
①电熨斗通过电热丝对电熨斗的金属底板进行加热，两根导线分别接在开关两端．
②电熨斗内部装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断，如图所示．常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复其原来状态，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．
③通过调温旋钮可以调节升降螺钉的升降来实现不同温度的设定．若需要的熨烫温度较低，则应使升降螺钉上升．
2．电饭锅
(1)铁氧体
①感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成．
②特点：在常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度上升到103
℃时就会失去铁磁性，不能被磁体吸引了，这个温度在物理学中称为该材料的“居里点”或“居里温度”．
电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体．
(2)电饭锅的工作原理
电饭锅中的温度传感器起开关的作用．煮饭时按下开关按钮，感温铁氧体与永磁体相吸结合在一起，触点相接，电路接通，开始加热．手松开后，由于锅内的温度低，感温铁氧体有铁磁性而与磁体相互吸引，不能使电路断开．
煮饭时，水沸腾后锅内的温度基本保持为水的沸点．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当温度上升到“居里温度”(约103
℃)时，感温铁氧体失去铁磁性，磁体与之分离，开关自动断开，使按钮恢复到如图所示的状态，且不能自动复位．
【例2】 温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的．在图甲中，电源的电动势E＝9.0
V，内阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻r保持不变；R0为保护电阻，R为热敏电阻，其电阻值与温度变化的关系如图乙所示．试写出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式．闭合开关S，当R的温度等于40
℃时，电流表示数I1＝2.25
mA，则当电流表的示数I2＝3.6
mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？
本题的解答思路为：
→→
[答案] R＝－0.018
75
t＋4.25(kΩ) 120℃
[解析] 题中的R－t图象是直线，根据数学知识可写出热敏电阻R与温度t的关系式为R＝kt＋b.由图象知t1＝0
℃时，R1＝4.25
kΩ，得b＝4.25，再根据t2＝120
℃时，R2＝2
kΩ，得k＝－0.018
75，所以R与t的关系式为R＝－0.018
75t＋4.25(kΩ)．
根据题中的R－t图象，t3＝40
℃时，热敏电阻的阻值R3＝3.5
kΩ，有E＝I1(r＋R0＋R3)；电流I2＝3.6
mA时，设热敏电阻的阻值为R4，有E＝I2(r＋R0＋R4)，代入数据可解得R4＝2
kΩ，由题中的R－t图象或将R4＝2
kΩ代入R与t的关系式可得t4＝120
℃.
总结提能
温度传感器一般使用的是热敏电阻，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，在解答有关温度传感器的应用问题时应注意区分这一性质．
图中是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103
℃)时，会自动断开．S2是一个自动控温开关，当温度低于70
℃时，会自动闭合，温度高于80
℃时，会自动断开．红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯，分流电阻R1＝R2＝500
Ω，加热电阻R3＝50
Ω，两灯电阻不计．
(1)分析电饭煲的工作原理．
(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比．
(3)简要回答：如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？
答案：(1)见解析 (2)12?1 (3)不能
解析：(1)电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80
℃时，S2自动断开，S1仍闭合；当温度升高到居里点103
℃时，开关S1自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态，由于散热，待温度降至70
℃时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80
℃时，S2又自动断开，再次处于保温状态．
(2)加热时电饭煲消耗的电功率P1＝，保温时电饭煲消耗的电功率P2＝，两式中R并＝＝
Ω，
从而有＝＝12?1.
(3)如果不闭合开关S1，开关S2闭合，R1被短路，功率为P1，当温度上升到80
℃时，S2自动断开，功率P降为P2，温度降低到70
℃，S2自动闭合……温度只能在70
℃～80
℃变化，不能把水烧开，不能煮熟饭.
1．办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开或关，利用的传感器是( B )
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：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，在夏季自动门可能做出错误动作．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，实现自动开门．
2．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 )
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：红外报警装置是将光信号转换成电信号的传感器，因此选项A正确．走廊照明灯的声控开关是将声信号转换成电信号的传感器，故选项B错误．自动洗衣机的压力传感装置是力电传感器，故选项C错误．电饭煲中控制加热和保温的温控器是温度传感器，因此选项D错误．
3．[多选]下列说法正确的是( BC )
A．电熨斗能自动控制温度主要利用了双金属片，两片金属的膨胀系数相同
B．双金属片在常温下，上下触点是接触的；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离
C．需要较高温度熨烫时，要调节温度旋钮，使升降螺钉下移并推动弹性铜片下移
D．电熨斗中的双金属片是一种半导体材料
解析：常温下，上下触点是接触的；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离；需要较高温度熨烫时，要调节温度旋钮，使升降螺钉下移并推动弹性铜片下移．
4．传感器是把非电学量(如位移、压力、流量、声音等)转换成电学量的一类元件．如图所示为一种电容传感器，电路可将声音信号转化为电信号．电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜，若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中( D )
A．a、b板之间的电场强度不变
B．a、b板所带的电荷量不变
C．电路中始终有方向不变的电流
D．向右位移最大时，电容器的电容最大
解析：a、b始终跟电源相连，电势差U不变，由于a、b间距离变化，由E＝知场强变化，A错误；由C＝知d变化时C变化，a向右位移最大时，电容最大，D正确；由Q＝CU知a、b所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B、C错误．
5．如图所示为自动售货机投币系统．它可以自动识别硬币，关于自动售货机投币系统的工作原理说法不正确的是( D )
A．当硬币投入自动售货机的投币口时，硬币被挡住，暂时停止在A处，以便让机器测出电阻．如果电阻值在机器内计算机芯片所认可的范围内，支持物A下降，硬币沿斜面滚下
B．当硬币通过两块磁铁时，硬币内产生了涡流，从而受到安培力的作用，使其速度减小
C．当硬币通过磁铁后，传感器测出它的速度，并且与存储在计算机中的标准值比较，如果速度适当，开关B就打开，硬币被接受
D．当硬币通过磁铁后，传感器测出它的速度，并且与存储在计算机中的标准值比较，如果速度过快，开关B就打开，硬币被接受
解析：当硬币投入自动售货机的投币口时，硬币被挡住，暂时停止在A处，以便让机器测出电阻，如果电阻值在机器内计算机芯片所认可的范围内，支持物A下降，硬币沿斜面滚下．当硬币通过两块磁铁时，硬币内产生了涡流，从而受到安培力的作用，导致速度减小．当硬币通过磁铁后，传感器测出它的速度，并且与存储在计算机中的标准值比较，如果速度适当，开关B就打开，硬币被接受，否则开关C打开，硬币进入拒绝通道．
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-3 实验：传感器的应用
1．光控开关
主要元件是光敏电阻，它是用来控制路灯自动点亮、熄灭的自动控制装置．
2．温度报警器
温度报警器电路，如图所示．
常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值(高电平)，其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R1的阻值不同，则报警温度不同．
楼道中的声光控开关是如何控制电灯开、关的？
提示：楼道中的声光控开关相当于“与”门，当白天光照好时，光控开关常开，相当于“0”，此时无论声音多大，声控开关是否闭合，灯都不亮；晚上或光线暗时，光控开关常闭，相当于“1”，此时如果有声音，声控开关闭合，即变为“1”，电路才接通，灯泡发光.
考点一 光控开关
1．光控开关的电路图
光控开关的电路图如图所示．
2．工作原理
(1)如上图甲所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51
kΩ，R2为330
Ω，其工作原理如下：
在白天，光照强度较大，光敏电阻RG的阻值较小，加在斯密特触发器A端的电势较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器输入端A的电势上升到某个值(1.6
V)，输出端Y会突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了)，这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的．
(2)由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯模仿路灯，就要用继电器来启闭另外的供电电路．如上图乙所示，天较亮时，光敏电阻RG的阻值较小，斯密特触发器输入端A的电势较低，则输出端Y输出高电平，继电器的线圈J中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG的阻值增大，斯密特触发器输入端A的电势升高，当升高到一定值时，输出端Y由高电平突然跳到低电平，这时有电流通过线圈J，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，光敏电阻RG的阻值减小，斯密特触发器输入端A的电势逐渐降低，降到一定值时，输出端Y突然由低电平跳到高电平，这时线圈J不再有电流通过，则继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭．(Ja为继电器线圈的常开触点)
1.斯密特触发器,斯密特触发器又称斯密特非门，是具有滞后特性的数字传输门.斯密特触发器具有以下两个特点：
?1?具有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压；
?2?斯密特触发器属于“电平触发型”电路，不依赖于边沿陡峭的脉冲，它能将模拟信号转化为数字信号.
2．电磁继电器的工作原理
如图所示，图中虚线框内的部分即为电磁继电器，D为动触点，E为静触点．当线圈J通电时，电磁铁产生磁性，吸引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与E接触，将工作电路接通；当线圈J中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧的作用下被拉起，带动动触点D与E分离，自动切断工作电路．
【例1】 [多选]图甲表示斯密特触发器，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6
V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25
V)，而当输入端A的电压下降到另一个值(0.8
V)的时候，Y会从低电平跳到高电平(3.4
V)．图乙为一光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻．下列关于斯密特触发器和光控电路的说法中正确的是( )
A．斯密特触发器的作用是将数字信号转换为模拟信号
B．斯密特触发器是具有特殊功能的非门
C．要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些
D．当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，发光二极管发光
解答本题的关键：
(1)知道斯密特触发器的工作原理，了解非门电路的特点及其表示符号．
(2)明白光敏电阻RG的阻值的大小随光照强度的增强而减小．
(3)知道二极管的单向导电性．
[答案] BCD
[解析] 斯密特触发器是一种特殊的非门，它能把连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，选项A错误，B正确；如果把R1的阻值调大些，则只有RG的阻值达到更大值
时，才能使斯密特触发器的A端电压达到某个值(1.6
V)，即达到天更暗时路灯才会亮的目的，选项C正确；当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，发光二极管导通发光，选项D正确．
总结提能
对于传感器应用的实验，我们除了需要掌握一些常见传感器的原理及其应用形式外，还应掌握好逻辑电路中的相关知识．如逻辑电路中，常把电势的高低叫做“电平”的高低，“输出低电平”的意思是，输出端处于低电势的状态．
[多选]在制作光控电路实验中，某同学按图所示电路将元件安装完毕后，发现将装置置入黑暗环境中接通电源时，灯泡不发光，原因可能是( ABD )
A．二极管两极接反
B．R1与RG位置颠倒
C．R1阻值太小
D．灯泡被断路
解析：由题可知若二极管接反，光线暗时，二极管上为负向电压，无法导通，灯泡不亮，A项正确；若R1与RG位置颠倒，则光线较暗时，Y端为高电平，晶体管不导通，灯泡不发光，B项正确，若R1阻值太小，Y端一直为低电平，灯泡一直发光，C项错误；灯泡断路时无法发光，D正确.
考点二 温度报警器
1．温度报警器的电路图
温度报警器的电路图如图所示．
2．工作原理
常温下，调节R1的阻值使斯密特触发器的输入端A为低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过峰鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT的阻值减小，斯密特触发器输入端A处电势升高，当达到某一值(高电平)时，其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声．
说明：R1的阻值不同，则报警温度不同．
【例2】 [多选]如图所示是温度报警器的电路原理图，下列关于该电路的分析中正确的是( )
A．当RT的温度升高时，RT的阻值减小，A端电势降低，Y端电势升高，蜂鸣器会发出报警声
B．当RT的温度升高时，RT的阻值减小，A端电势升高，Y端电势降低，蜂鸣器会发出报警声
C．当增大R1时，A端电势升高，Y端电势降低，蜂鸣器会发出报警声
D．当增大R1时，A端电势降低，Y端电势升高，蜂鸣器会发出报警声
解答本题的思路为：
→→
[答案] BC
[解析] 温度升高时，热敏电阻的阻值减小，或者增大R1的阻值，都能导致输入端A的电势升高，斯密特触发器输出端Y从高电平跳到低电平，从而使蜂鸣器发出报警声．
总结提能
对于有关传感器应用的实验电路问题，解答时应先弄清楚电路中所用传感器的类型及其工作原理，然后根据电路特点进行分析．
图中是一个报警器装置的逻辑电路图．RT是一个热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，R是一个阻值较小的分压电阻，A为斯密特触发器输入端．
(1)为什么在高温时电铃会响起？
(2)为了提高电路的灵敏度，即将报警温度调得低些，那么R的值应该大一些还是小一些？
答案：(1)热敏电阻的温度上升，RT变小，A端的电压低到某一值时，Y端会由低电平跳到高电平，加在电铃两端的电压变大，电铃响起．所以应该大一些．
(2)若R的值大，由于它的分压作用，使RT两端的电压不太高，则外界温度不太高时，就能使PX之间电压降到低电压输入，而当A端的电压降低到某一值时，Y端会由低电平跳到高电平，加在电铃两端的电压变大，电铃响起．所以应该大一些．
1．[多选]如图所示为一个逻辑电平检测电路，A与被测点相接，则( BC )
A．A为低电平，LED发光
B．A为高电平，LED发光
C．A为低电平，LED不发光
D．A为高电平，LED不发光
解析：A为低电平时，Y为高电平，LED的电压小，不发光；A为高电平时，Y为低电平，LED的电压大，发光，故B、C正确．
2．如图所示为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是( D )
A．温度升高至74
℃时，L1亮灯报警
B．温度升高至74
℃时，L2亮灯报警
C．温度升高至78
℃时，L1亮灯报警
D．温度升高至78
℃时，L2亮灯报警
解析：当温度低于78°时，线圈中没有电流，此时灯L1亮，但不报警，当温度升高到78°时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮且报警，温度升高至74
℃时，线圈中没有电流，只是灯L1亮，不会报警．
3．2007年法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔由于发现巨磁阻效应(GMR)而荣获了诺贝尔物理学奖．如图所示是利用GMR设计的磁铁矿探测仪原理示意图，图中GMR在外磁场作用下，电阻会大幅度减小．下列说法正确的是( C )
A．若存在磁铁矿，则指示灯不亮；若将电阻R调大，该探测仪的灵敏度提高
B．若存在磁铁矿，则指示灯不亮；若将电阻R调小，该探测仪的灵敏度提高
C．若存在磁铁矿，则指示灯亮；若将电阻R调大，该探测仪的灵敏度提高
D．若存在磁铁矿，则指示灯亮；若将电阻R调小，该探测仪的灵敏度提高
解析：如果存在磁铁矿，则巨磁阻(GMR)大幅度减小，流过巨磁阻(GMR)和R电路的电流大幅度增大，由UR＝IR知，R两端电压增大，因此，巨磁阻(GMR)两端电压减小，即A端电平升高，则非门电路输出端Z电平降低，则指示灯两端电压升高，指示灯亮，如果将电阻R调大，则A端电平调得更高，Z端输出的电平更低，则指示灯的电压更大，指示灯更亮，该探测仪的灵敏度提高，故A、B、D错，C正确．
4．如图所示：1是弹簧，2是衔铁，3是触点，4是电磁铁，5是热敏电阻，6是滑动变阻器，7是电铃，它们组成一种温度自动报警电路．说明这种简单温度自动报警电路的工作原理．
答案：当热敏电阻的温度升高时，电阻减小，电磁铁电路中电流增大，当电流达到一定值时电磁铁吸引衔铁使电铃电路闭合，电铃发声报警．当温度下降后，电阻增大，电流减小，电磁铁磁性减弱，衔铁被弹簧拉起，电铃电路断开，电铃不发声．
5．如图是一种防汛报警器的原理图，S是触点开关，B是一个漏斗形的竹片圆筒，里面有浮子A，请你说明这种报警器的工作原理．
答案：由图可以看出，水面上升时，浮子A在漏斗形的竹片圆筒内上浮，顶起金属板．当水面上升达到警戒水位时，使触点开关S闭合，电磁铁电路连通，电磁铁通电有磁性，吸下衔铁使报警电路的触点开关闭合，灯亮发出防汛警报．
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