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高中第五章 传感器第一节 传感器及其工作原理导学案
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这是一份高中第五章 传感器第一节 传感器及其工作原理导学案，共20页。
知识点一 传感器及其分类
1．定义：能感受被测量的信息，并按照一定的规律转换成电信号的器件或装置。
2．传感器的组成：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。
(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：是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、电流等。
3．传感器的分类
传感器种类繁多，涉及多个学科领域，根据检测量不同，传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等。
(1)物理传感器：主要利用被测物理量(如：压力、温度、位移、亮度等)变化时，敏感元件的电学量(如电阻、电压、电容等)发生明显变化的特性制成。如：压电传感器、光电传感器、加速度传感器、温度传感器等。
(2)化学传感器：主要是基于化学反应的原理。将化学物质的成分、浓度等化学信息转化为电学量的传感器。如：半导体气体传感器、湿敏传感器、离子传感器等。
(3)生物传感器：是一种基于酶、抗体和激素等分子识别功能，并将其转换为电信号进行检测的传感器。如：酶传感器、细胞传感器、免疫传感器等。
知识点二 传感器的原理
1．温度传感器的原理
(1)温度传感器：将温度变化转换为电学量变化的装置，它利用传感器元件的电学量随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量。
(2)热敏电阻：利用半导体材料的阻值随温度变化而变化的特性实现对温度的测量，其电阻大小与温度高低有关，温度变化，电阻有明显变化。
2．光电传感器的原理
(1)光电传感器：将光学量变化转化为电学量变化的装置。
(2)光敏电阻：光电传感器的敏感元件，其阻值随光照的增强而减小。
1．思考判断(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)传感器是一种联络传递感情的设备。(×)
(2)传感器是一种感知、探测物理量的工具。(×)
(3)传感器是将被测量的非电学量转换成电学量的器件或装置。(√)
(4)光敏电阻受到的光照越强，电阻越小。(√)
(5)热敏电阻一定是随温度的升高，其阻值增大。(×)
2．关于传感器，下列说法不正确的是( )
A．传感器通常是将非电学量转化为电学量的装置
B．压力传感器是将力学量转化为电学量的装置
C．所有传感器都是由半导体材料制成的
D．传感器广泛应用于信息采集系统
C [传感器通常是通过将非电学量转换成电学量来传递信息的，A正确；压力传感器是将力学量转化为电学量的装置，B正确；用来制作传感器的材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，传感器广泛应用于信息采集系统，故C错误，D正确。]
3．(多选)美国科学家Willard S．Byle与Gerge 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
BC [传感器是指能够感受诸如力、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、电流等电学量的元件。发光二极管是将电能转化为光能的元件，不是传感器，选项A错误；热敏电阻的温度变化时，其电阻会发生变化，能把热学量转换成电学量，可作为传感器，选项B正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个非电学量转换成电压这个电学量，可作为传感器，选项C正确；干电池是一种电源，不是传感器，选项D错误。]
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。如图所示为蔬菜大棚内信息采集与自动控制流程的示意图。试结合图中信息思考，在蔬菜种植大棚中要用到哪些传感器？
提示：需要五种传感器：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏传感器、温敏传感器。
传感器的原理和分类
【典例1】 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
C [传感器工作的一般流程为：非电学量 被 敏感元件 感知，然后通过 转换元件 转换成电信号，再通过 转换电路 将此信号转换成易于传输或测量的 电学量，因此A、B、D错误，C正确。]
[跟进训练]
1．(多选)关于传感器的作用，下列说法正确的是( )
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息转换为电学量
D．传感器可以将所有感受到的信息都转换为电学量
BC [传感器的作用主要是用来采集信息并将采集到的信息转换成便于测量的量；但并不是将其感受到的所有信息都转换为电学量。故B、C正确。]
温度传感器和光电传感器
1．温度传感器——热敏电阻和金属热电阻
(1)热敏电阻。
指用半导体材料制成、阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
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。
(2)金属热电阻。
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。
热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。
2．光电传感器——光敏电阻
光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强。
光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小。
【典例2】 如图所示，R1、R2为定值电阻，L为电阻丝，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列选项中不正确的是( )
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．电阻丝的功率增大
D．电路的路端电压增大
D [当光照强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，干路电流增大，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；由路端电压减小及R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小；结合干路电流增大知流过电阻丝的电流必增大，则电阻丝的功率增大，故选项D错误。]
含传感器电路的分析方法
(1)判断电路的整体连接特点。
(2)由敏感元件电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化。
(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化。
(4)根据电路串并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化，进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化。
[跟进训练]
2．火警报警器的电路示意图如图所示。其中，RT为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。电流表为值班室的显示器，电源两极之间接一报警器。当传感器RT所在处出现火情时，通过显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I变大，U变小 B．I变大，U变大
C．I变小，U变小 D．I变小，U变大
C [当传感器RT所在处出现火情时，温度升高，RT的电阻减小，则电路中的总电阻R总减小，根据闭合电路的欧姆定律可知，电路中的总电流I总变大，路端电压变小，则报警器两端的电压U减小，根据U＝IR可知，电阻R1两端的电压U1增大，根据分压原理可知，电阻R2两端的电压U2变小，则流过R2的电流减小，即电流表读数I变小。故选C。]
霍尔元件
1．霍尔元件：如图所示，在一个很小的矩形半导体(如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就构成了一个霍尔元件。
2．霍尔电压
(1)表达式：如图所示，在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的匀强磁场，则在M、N间可出现霍尔电压UH，UH＝kIBd。
(2)原理：以载流子是自由电子为例，霍尔电压的推导如下：根据左手定则，让磁感线垂直穿过掌心，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，则左侧(N侧)表面积累负电荷，右侧(M侧)表面就积累等量的正电荷，即右侧表面的电势高，这样就会形成电场，当电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，左、右两侧的电压达到稳定。
设M、N两侧面距离为h，上下两板距离为d，则eE场＝eUHh＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立解得UH＝IBned。由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把1ne称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝kIBd，其中d是霍尔元件的厚度。
【典例3】 (多选)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
BCD [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＝kIBd，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确。]
霍尔电势判断要点
在判断霍尔电势的高低时，一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。无论载流子是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向。
[跟进训练]
3．(多选)如图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( )
A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，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
ABD [一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由UH＝kIBd知UH将变大，A正确；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，B正确；赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直，C错误；设l为导体板M、N两侧的距离，若磁场与工作面夹角为θ，则应有qvB sin θ＝qUHl，可见θ变化时，UH将变化，D正确。]
1．下列关于传感器的说法中不正确的是( )
A．传感器通常能将感受到的外部信息按照一定的规律转换为电信号
B．话筒是一种将电信号转换为声信号的传感器
C．光敏电阻是一种利用光敏元件将光信号转化为电信号的传感器
D．热敏电阻是将温度信息转化为电信号的传感器
B [传感器通常能将感受到的外部信息按照一定的规律转换为电信号，A正确，不符合题意；话筒是一种将声信号转换为电信号的传感器，B错误，符合题意；光敏电阻是一种利用光敏元件将光信号转化为电信号的传感器，C正确，不符合题意；热敏电阻是将温度信息转化为电信号的传感器，D正确，不符合题意。]
2．如图所示，RT为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻，若往RT上擦一些酒精，在环境温度不变的情况下，关于电压表示数的变化情况，下列说法中正确的是( )
A．变大
B．变小
C．先变大后变小再不变
D．先变小后变大再不变
D [往RT上擦酒精后，酒精蒸发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，根据串联电路的分压特点，电压表示数变小。当酒精蒸发完毕后，RT的温度逐渐升高到环境温度后不变，所以热敏电阻的阻值逐渐变小，最后不变，故电压表的示数将逐渐变大，最后不变。所以选项D正确。]
3．如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置。则( )
A．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压升高
B．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压降低
C．当仅增大R2的阻值时，可减小A、B之间的电压
D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压
B [R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过而遮蔽光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得A、B之间的电压U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项错误；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误。]
4．如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。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，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”)。
[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。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，电压表示数减小时，表示油量在减少。
[答案] c、d 减小
回归本节内容，自我完成以下问题：
1．什么叫传感器？
提示：能感受到被测量的信息并将其按照一定的规律转化成可用信号的器件或装置。
2．传感器由哪几部分组成？
提示：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。
3．传感器的分类？
提示：根据检测量的不同，传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等。
4．传感器的原理？
提示：将非电学量转化为电学量。
课时分层作业(十五) 传感器及其工作原理
题组一 传感器的原理和分类
1．关于传感器，下列说法中正确的是( )
A．所有传感器都是由半导体材料制成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器通过感知电压的变化来传递信息
D．以上说法都不正确
B [只要能把非电学量转换成电学量的装置就可以叫传感器。制成传感器的材料不一定是半导体材料，如电熨斗中的双金属片就是由金属材料制成的，所以A错误，B正确；传感器不仅可以通过感知电压的变化来传递信息，还可以通过感知电容、电流、电阻等变化来传递信息，所以C错误；由以上分析可知，D错误。]
2．关于传感器，下列说法正确的是( )
A．传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量
B．金属热电阻是一种可以将电学量转换为热学量的传感器
C．话筒中的传感器将电信号转换成声信号
D．半导体热敏电阻的阻值随温度的升高而增大
A [传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量，选项A正确；金属热电阻是一种可以将热学量转换为电学量的传感器，选项B错误；话筒中的传感器将声信号转换成电信号，选项C错误；一般半导体热敏电阻在温度升高时，电阻会变小，选项D错误。]
3．下列有关传感器的说法正确的是( )
A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
B．楼梯口的电灯开关装的两种传感器是热敏电阻和光敏电阻
C．电子秤所使用的测力装置是力传感器
D．半导体热敏电阻常用作温度传感器，因为温度越高，它的电阻值越大
C [话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号，则A错误；楼梯口的电灯开关装的两种传感器是声敏电阻和光敏电阻，则B错误；电子秤所使用的测力装置是力传感器，则C正确；半导体热敏电阻常用作温度传感器，因为温度越高，它的电阻值越小，则D错误。]
4．(2022·四川甘孜高二期末)如图所示，将磁传感器探头放在磁场中，可以很方便地测量磁场的强弱和方向。探头可能是( )
A．霍尔元件 B．热敏电阻
C．感应线圈 D．电容器
A [将探头放在磁场中，可以很方便的测量磁场的强弱和方向，将磁信号转变为电信号，所以探头是霍尔元件。故选A。]
题组二 温度传感器和光电传感器
5．(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
BD [当温度升高时，电路中的热敏电阻的阻值减小，由闭合电路欧姆定律可知：电路中的电流增大，导致灯泡变亮。]
6．(多选)2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”。基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用，在下列有关其他电阻应用的说法中，正确的是( )
A．热敏电阻可应用于温度测控装置中
B．光敏电阻是一种光电传感器
C．电阻丝可应用于电热设备中
D．电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用
ABC [热敏电阻对温度很敏感，光敏电阻对光照很敏感，电阻丝可用于电加热，这很常见，所以A、B、C三个说法均正确；交流电、直流电均可通过电阻，电阻对它们均可产生阻碍作用，所以D错误。]
7．(多选)如图所示，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( )
A．电压表的示数减小
B．R2中电流强度增大
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压降低
CD [可按以下流程进行解题：
]
8．如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，电压表和电流表均为理想交流电表，R是一个光敏电阻，其阻值随光照强度的增大而减小。从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝2202sin 100πtV，则( )
A．电压表的示数为222 V
B．在天逐渐变黑的过程中，电流表A2的示数变小
C．在天逐渐变黑的过程中，电流表A1的示数变大
D．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变大
B [原线圈输入电压的有效值为U1＝22022 V＝220 V，电压比等于匝数比，U1U2＝101，可得U2＝22 V，即电压表的示数为22 V，故A错误；天逐渐变黑的过程中，光照强度的减小，光敏电阻阻值增大，根据I2＝U2R可知电流表A2的示数减小，故B正确；根据I1I2＝n2n1，匝数比不变，故A1的示数减小，故C错误；电压关系由输入决定输出，电压表示数不变，故D错误。]
题组三 霍尔元件
9．霍尔元件是磁传感器，是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，现在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，其中元件中的载流子为带负电的电荷。则下列说法正确的是( )
A．该元件能把电学量转化为磁学量
B．左表面的电势高于右表面
C．如果用该元件测赤道处的磁场，应保持平面呈水平状态
D．如果在霍尔元件中的电流大小不变，则左右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
D [霍尔元件能够把磁学量转换为电学量，A错误；由于元件中的载流子为带负电的电荷，则负电荷的运动方向由F到E，由左手定则可知负电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B错误；如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的平面保持水平，则无电压产生，C错误；根据qvB＝qUd得U＝Bdv，由电流的微观定义式I＝nqSv(n是单位体积内的导电粒子数，q是单个导电粒子所带的电量，S是导体的横截面积，v是导电粒子运动的速度)整理得v＝InqS，联立解得U＝IBdnqS，可知用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度，保持电流不变，则左右表面的电势差与磁感应强度成正比，D正确。]
10．如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数的热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，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
C [R2与灯泡L并联后再与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2的电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，R1两端的电压减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，故只有C正确。]
11．(多选)(2022·福建莆田高二期末)笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图所示，一块宽为a、长为c的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向竖直向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭，则霍尔元件的( )
A．前表面的电势比后表面的高
B．匀强磁场的磁感应强度大小为Uva
C．前、后表面间的电压U与v无关
D．前、后表面间的电压U与a成反比
AB [由左手定则可知，自由电子往后表面偏转，故前表面的电势比后表面的高，故A正确；稳定时，自由电子不再偏转，满足eUa＝evB，解得B＝Uav，故B正确；稳定时，自由电子不再偏转，满足eUa＝evB，解得U＝avB，故前、后表面间的电压U与v成正比，前、后表面间的电压U与a成正比，故C、D错误。]
12．(多选)某温度检测、光电控制加热装置的原理如图所示。图中RT为热敏电阻(随温度升高阻值减小)，用来探测加热电阻丝R的温度，RG为光敏电阻(随光照强度增大阻值减小，接收小灯泡L的光照)，除RT、RG外，其他电阻均为定值电阻。当R处温度降低时( )
A．L变亮
B．通过R3的电流减小
C．E2的路端电压增大
D．R消耗的功率减小
BC [当R处温度降低时，热敏电阻RT的阻值变大，由闭合电路欧姆定律可知，左侧电路中的电流减小，通过小灯泡L的电流减小，小灯泡L变暗，光敏电阻RG的阻值变大，对右侧电路，由闭合电路欧姆定律可知，通过R2的电流变小，右侧电路中的电源E2的路端电压变大，R两端的电压变大，通过R的电流变大，则R消耗的功率变大，通过R3的电流变小，选项B、C正确，A、D错误。]
13．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用产品中，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)由题图乙知热敏电阻R在温度为120 ℃ 时的电阻为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＝EI1－R＝93×10-3-2×103 Ω＝1 000 Ω。
(2)当电流计的示数I2＝1.8 mA时
R＝EI2－Rg＝91.8×10-3-1×103 Ω＝4 000 Ω
由题图乙可知当热敏电阻R的阻值为4 000 Ω时对应的温度为20 ℃。
[答案] (1)1 000 Ω (2)20 ℃
知识点一 传感器及其分类
1．定义：能感受被测量的信息，并按照一定的规律转换成电信号的器件或装置。
2．传感器的组成：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。
(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：是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、电流等。
3．传感器的分类
传感器种类繁多，涉及多个学科领域，根据检测量不同，传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等。
(1)物理传感器：主要利用被测物理量(如：压力、温度、位移、亮度等)变化时，敏感元件的电学量(如电阻、电压、电容等)发生明显变化的特性制成。如：压电传感器、光电传感器、加速度传感器、温度传感器等。
(2)化学传感器：主要是基于化学反应的原理。将化学物质的成分、浓度等化学信息转化为电学量的传感器。如：半导体气体传感器、湿敏传感器、离子传感器等。
(3)生物传感器：是一种基于酶、抗体和激素等分子识别功能，并将其转换为电信号进行检测的传感器。如：酶传感器、细胞传感器、免疫传感器等。
知识点二 传感器的原理
1．温度传感器的原理
(1)温度传感器：将温度变化转换为电学量变化的装置，它利用传感器元件的电学量随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量。
(2)热敏电阻：利用半导体材料的阻值随温度变化而变化的特性实现对温度的测量，其电阻大小与温度高低有关，温度变化，电阻有明显变化。
2．光电传感器的原理
(1)光电传感器：将光学量变化转化为电学量变化的装置。
(2)光敏电阻：光电传感器的敏感元件，其阻值随光照的增强而减小。
1．思考判断(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)传感器是一种联络传递感情的设备。(×)
(2)传感器是一种感知、探测物理量的工具。(×)
(3)传感器是将被测量的非电学量转换成电学量的器件或装置。(√)
(4)光敏电阻受到的光照越强，电阻越小。(√)
(5)热敏电阻一定是随温度的升高，其阻值增大。(×)
2．关于传感器，下列说法不正确的是( )
A．传感器通常是将非电学量转化为电学量的装置
B．压力传感器是将力学量转化为电学量的装置
C．所有传感器都是由半导体材料制成的
D．传感器广泛应用于信息采集系统
C [传感器通常是通过将非电学量转换成电学量来传递信息的，A正确；压力传感器是将力学量转化为电学量的装置，B正确；用来制作传感器的材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，传感器广泛应用于信息采集系统，故C错误，D正确。]
3．(多选)美国科学家Willard S．Byle与Gerge 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
BC [传感器是指能够感受诸如力、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、电流等电学量的元件。发光二极管是将电能转化为光能的元件，不是传感器，选项A错误；热敏电阻的温度变化时，其电阻会发生变化，能把热学量转换成电学量，可作为传感器，选项B正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个非电学量转换成电压这个电学量，可作为传感器，选项C正确；干电池是一种电源，不是传感器，选项D错误。]
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。如图所示为蔬菜大棚内信息采集与自动控制流程的示意图。试结合图中信息思考，在蔬菜种植大棚中要用到哪些传感器？
提示：需要五种传感器：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏传感器、温敏传感器。
传感器的原理和分类
【典例1】 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
C [传感器工作的一般流程为：非电学量 被 敏感元件 感知，然后通过 转换元件 转换成电信号，再通过 转换电路 将此信号转换成易于传输或测量的 电学量，因此A、B、D错误，C正确。]
[跟进训练]
1．(多选)关于传感器的作用，下列说法正确的是( )
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息转换为电学量
D．传感器可以将所有感受到的信息都转换为电学量
BC [传感器的作用主要是用来采集信息并将采集到的信息转换成便于测量的量；但并不是将其感受到的所有信息都转换为电学量。故B、C正确。]
温度传感器和光电传感器
1．温度传感器——热敏电阻和金属热电阻
(1)热敏电阻。
指用半导体材料制成、阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
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。
(2)金属热电阻。
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。
热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。
2．光电传感器——光敏电阻
光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强。
光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小。
【典例2】 如图所示，R1、R2为定值电阻，L为电阻丝，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列选项中不正确的是( )
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．电阻丝的功率增大
D．电路的路端电压增大
D [当光照强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，干路电流增大，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；由路端电压减小及R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小；结合干路电流增大知流过电阻丝的电流必增大，则电阻丝的功率增大，故选项D错误。]
含传感器电路的分析方法
(1)判断电路的整体连接特点。
(2)由敏感元件电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化。
(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化。
(4)根据电路串并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化，进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化。
[跟进训练]
2．火警报警器的电路示意图如图所示。其中，RT为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。电流表为值班室的显示器，电源两极之间接一报警器。当传感器RT所在处出现火情时，通过显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I变大，U变小 B．I变大，U变大
C．I变小，U变小 D．I变小，U变大
C [当传感器RT所在处出现火情时，温度升高，RT的电阻减小，则电路中的总电阻R总减小，根据闭合电路的欧姆定律可知，电路中的总电流I总变大，路端电压变小，则报警器两端的电压U减小，根据U＝IR可知，电阻R1两端的电压U1增大，根据分压原理可知，电阻R2两端的电压U2变小，则流过R2的电流减小，即电流表读数I变小。故选C。]
霍尔元件
1．霍尔元件：如图所示，在一个很小的矩形半导体(如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就构成了一个霍尔元件。
2．霍尔电压
(1)表达式：如图所示，在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的匀强磁场，则在M、N间可出现霍尔电压UH，UH＝kIBd。
(2)原理：以载流子是自由电子为例，霍尔电压的推导如下：根据左手定则，让磁感线垂直穿过掌心，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，则左侧(N侧)表面积累负电荷，右侧(M侧)表面就积累等量的正电荷，即右侧表面的电势高，这样就会形成电场，当电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，左、右两侧的电压达到稳定。
设M、N两侧面距离为h，上下两板距离为d，则eE场＝eUHh＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立解得UH＝IBned。由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把1ne称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝kIBd，其中d是霍尔元件的厚度。
【典例3】 (多选)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
BCD [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＝kIBd，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确。]
霍尔电势判断要点
在判断霍尔电势的高低时，一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。无论载流子是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向。
[跟进训练]
3．(多选)如图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( )
A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，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
ABD [一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由UH＝kIBd知UH将变大，A正确；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，B正确；赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直，C错误；设l为导体板M、N两侧的距离，若磁场与工作面夹角为θ，则应有qvB sin θ＝qUHl，可见θ变化时，UH将变化，D正确。]
1．下列关于传感器的说法中不正确的是( )
A．传感器通常能将感受到的外部信息按照一定的规律转换为电信号
B．话筒是一种将电信号转换为声信号的传感器
C．光敏电阻是一种利用光敏元件将光信号转化为电信号的传感器
D．热敏电阻是将温度信息转化为电信号的传感器
B [传感器通常能将感受到的外部信息按照一定的规律转换为电信号，A正确，不符合题意；话筒是一种将声信号转换为电信号的传感器，B错误，符合题意；光敏电阻是一种利用光敏元件将光信号转化为电信号的传感器，C正确，不符合题意；热敏电阻是将温度信息转化为电信号的传感器，D正确，不符合题意。]
2．如图所示，RT为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻，若往RT上擦一些酒精，在环境温度不变的情况下，关于电压表示数的变化情况，下列说法中正确的是( )
A．变大
B．变小
C．先变大后变小再不变
D．先变小后变大再不变
D [往RT上擦酒精后，酒精蒸发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，根据串联电路的分压特点，电压表示数变小。当酒精蒸发完毕后，RT的温度逐渐升高到环境温度后不变，所以热敏电阻的阻值逐渐变小，最后不变，故电压表的示数将逐渐变大，最后不变。所以选项D正确。]
3．如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置。则( )
A．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压升高
B．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压降低
C．当仅增大R2的阻值时，可减小A、B之间的电压
D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压
B [R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过而遮蔽光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得A、B之间的电压U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项错误；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误。]
4．如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。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，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”)。
[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。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，电压表示数减小时，表示油量在减少。
[答案] c、d 减小
回归本节内容，自我完成以下问题：
1．什么叫传感器？
提示：能感受到被测量的信息并将其按照一定的规律转化成可用信号的器件或装置。
2．传感器由哪几部分组成？
提示：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。
3．传感器的分类？
提示：根据检测量的不同，传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等。
4．传感器的原理？
提示：将非电学量转化为电学量。
课时分层作业(十五) 传感器及其工作原理
题组一 传感器的原理和分类
1．关于传感器，下列说法中正确的是( )
A．所有传感器都是由半导体材料制成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器通过感知电压的变化来传递信息
D．以上说法都不正确
B [只要能把非电学量转换成电学量的装置就可以叫传感器。制成传感器的材料不一定是半导体材料，如电熨斗中的双金属片就是由金属材料制成的，所以A错误，B正确；传感器不仅可以通过感知电压的变化来传递信息，还可以通过感知电容、电流、电阻等变化来传递信息，所以C错误；由以上分析可知，D错误。]
2．关于传感器，下列说法正确的是( )
A．传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量
B．金属热电阻是一种可以将电学量转换为热学量的传感器
C．话筒中的传感器将电信号转换成声信号
D．半导体热敏电阻的阻值随温度的升高而增大
A [传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量，选项A正确；金属热电阻是一种可以将热学量转换为电学量的传感器，选项B错误；话筒中的传感器将声信号转换成电信号，选项C错误；一般半导体热敏电阻在温度升高时，电阻会变小，选项D错误。]
3．下列有关传感器的说法正确的是( )
A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
B．楼梯口的电灯开关装的两种传感器是热敏电阻和光敏电阻
C．电子秤所使用的测力装置是力传感器
D．半导体热敏电阻常用作温度传感器，因为温度越高，它的电阻值越大
C [话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号，则A错误；楼梯口的电灯开关装的两种传感器是声敏电阻和光敏电阻，则B错误；电子秤所使用的测力装置是力传感器，则C正确；半导体热敏电阻常用作温度传感器，因为温度越高，它的电阻值越小，则D错误。]
4．(2022·四川甘孜高二期末)如图所示，将磁传感器探头放在磁场中，可以很方便地测量磁场的强弱和方向。探头可能是( )
A．霍尔元件 B．热敏电阻
C．感应线圈 D．电容器
A [将探头放在磁场中，可以很方便的测量磁场的强弱和方向，将磁信号转变为电信号，所以探头是霍尔元件。故选A。]
题组二 温度传感器和光电传感器
5．(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
BD [当温度升高时，电路中的热敏电阻的阻值减小，由闭合电路欧姆定律可知：电路中的电流增大，导致灯泡变亮。]
6．(多选)2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”。基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用，在下列有关其他电阻应用的说法中，正确的是( )
A．热敏电阻可应用于温度测控装置中
B．光敏电阻是一种光电传感器
C．电阻丝可应用于电热设备中
D．电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用
ABC [热敏电阻对温度很敏感，光敏电阻对光照很敏感，电阻丝可用于电加热，这很常见，所以A、B、C三个说法均正确；交流电、直流电均可通过电阻，电阻对它们均可产生阻碍作用，所以D错误。]
7．(多选)如图所示，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( )
A．电压表的示数减小
B．R2中电流强度增大
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压降低
CD [可按以下流程进行解题：
]
8．如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，电压表和电流表均为理想交流电表，R是一个光敏电阻，其阻值随光照强度的增大而减小。从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝2202sin 100πtV，则( )
A．电压表的示数为222 V
B．在天逐渐变黑的过程中，电流表A2的示数变小
C．在天逐渐变黑的过程中，电流表A1的示数变大
D．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变大
B [原线圈输入电压的有效值为U1＝22022 V＝220 V，电压比等于匝数比，U1U2＝101，可得U2＝22 V，即电压表的示数为22 V，故A错误；天逐渐变黑的过程中，光照强度的减小，光敏电阻阻值增大，根据I2＝U2R可知电流表A2的示数减小，故B正确；根据I1I2＝n2n1，匝数比不变，故A1的示数减小，故C错误；电压关系由输入决定输出，电压表示数不变，故D错误。]
题组三 霍尔元件
9．霍尔元件是磁传感器，是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，现在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，其中元件中的载流子为带负电的电荷。则下列说法正确的是( )
A．该元件能把电学量转化为磁学量
B．左表面的电势高于右表面
C．如果用该元件测赤道处的磁场，应保持平面呈水平状态
D．如果在霍尔元件中的电流大小不变，则左右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
D [霍尔元件能够把磁学量转换为电学量，A错误；由于元件中的载流子为带负电的电荷，则负电荷的运动方向由F到E，由左手定则可知负电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B错误；如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的平面保持水平，则无电压产生，C错误；根据qvB＝qUd得U＝Bdv，由电流的微观定义式I＝nqSv(n是单位体积内的导电粒子数，q是单个导电粒子所带的电量，S是导体的横截面积，v是导电粒子运动的速度)整理得v＝InqS，联立解得U＝IBdnqS，可知用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度，保持电流不变，则左右表面的电势差与磁感应强度成正比，D正确。]
10．如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数的热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，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
C [R2与灯泡L并联后再与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2的电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，R1两端的电压减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，故只有C正确。]
11．(多选)(2022·福建莆田高二期末)笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图所示，一块宽为a、长为c的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向竖直向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭，则霍尔元件的( )
A．前表面的电势比后表面的高
B．匀强磁场的磁感应强度大小为Uva
C．前、后表面间的电压U与v无关
D．前、后表面间的电压U与a成反比
AB [由左手定则可知，自由电子往后表面偏转，故前表面的电势比后表面的高，故A正确；稳定时，自由电子不再偏转，满足eUa＝evB，解得B＝Uav，故B正确；稳定时，自由电子不再偏转，满足eUa＝evB，解得U＝avB，故前、后表面间的电压U与v成正比，前、后表面间的电压U与a成正比，故C、D错误。]
12．(多选)某温度检测、光电控制加热装置的原理如图所示。图中RT为热敏电阻(随温度升高阻值减小)，用来探测加热电阻丝R的温度，RG为光敏电阻(随光照强度增大阻值减小，接收小灯泡L的光照)，除RT、RG外，其他电阻均为定值电阻。当R处温度降低时( )
A．L变亮
B．通过R3的电流减小
C．E2的路端电压增大
D．R消耗的功率减小
BC [当R处温度降低时，热敏电阻RT的阻值变大，由闭合电路欧姆定律可知，左侧电路中的电流减小，通过小灯泡L的电流减小，小灯泡L变暗，光敏电阻RG的阻值变大，对右侧电路，由闭合电路欧姆定律可知，通过R2的电流变小，右侧电路中的电源E2的路端电压变大，R两端的电压变大，通过R的电流变大，则R消耗的功率变大，通过R3的电流变小，选项B、C正确，A、D错误。]
13．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用产品中，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)由题图乙知热敏电阻R在温度为120 ℃ 时的电阻为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＝EI1－R＝93×10-3-2×103 Ω＝1 000 Ω。
(2)当电流计的示数I2＝1.8 mA时
R＝EI2－Rg＝91.8×10-3-1×103 Ω＝4 000 Ω
由题图乙可知当热敏电阻R的阻值为4 000 Ω时对应的温度为20 ℃。
[答案] (1)1 000 Ω (2)20 ℃
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