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高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 认识传感器精品学案
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这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册1 认识传感器精品学案，共13页。
2 常见传感器的工作原理及应用
[学习目标] 1.知道什么是传感器，了解传感器的种类(重点)。2.知道传感器的组成与应用模式。3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片、电容式传感器的工作原理及应用(难点)。
一、传感器及其工作原理
干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
答案 (1)灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。
(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。
1．传感器
(1)定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号(通常是电压、电流等电学量)输出，或转换为电路的通断的器件或装置。
(2)功能：把非电学量转化为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．传感器的种类、组成与应用模式
(1)分类：按传感器的工作原理的不同，把传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
(2)组成：传感器主要由敏感元件、转换元件组成。
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。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：将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(3)应用模式：
例1 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制成的
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．水银温度计是一种传感器
答案 B
解析 传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误。
例2 在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法”检测，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类( )
A．物理传感器B．化学传感器
C．生物传感器D．温度传感器
答案 C
解析 酶标法的原理应该是利用了生物酶，故应为生物传感器，C正确。
二、光敏电阻
1．特点：在被光照射时电阻发生变化，阻值随光照强度的增强而明显减小。
2．阻值发生变化的原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；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．应用实例：在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图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。当光被产品挡住时，R1电阻增大(填“增大”“减小”或“不变”)，电路中电流减小，R2两端电压减小(填“增大”“减小”或“不变”)，信号处理系统得到低(填“高”或“低”)电压，每通过一个产品就获得一次低(填“高”或“低”)电压，并计数一次。
例3 (多选)(2023·雅安高二期末)某小区为积极响应市政府提出的“迎峰度冬”节约用电工作，拟将小区路灯电路进行改造，实现路灯亮度自控。如图所示为其内部电路简化原理图，电源电动势为E，内阻为r，RL为光敏电阻(光照强度增加时，其电阻阻值减小)。现减小光照强度，下列判断正确的是( )
A．电源的效率变大
B．A灯和B灯都变亮
C．R0两端电压变大
D．电源内部发热功率不变
答案 AB
解析 电源的效率为
η＝eq \f(I总2R外,I总2R外＋r)×100%＝eq \f(1,1＋\f(r,R外))×100%
减小光照强度，光敏电阻阻值增大，则外电阻增大，电源的效率增大，故A正确；光照强度增加时，光敏电阻阻值减小，现减小光照强度，其电阻阻值增大，根据I总＝eq \f(E,R外＋r)，可知总电流减小，根据Pr＝I总2·r，可知电源内部发热功率减小，根据U＝E－I总r，可知路端电压增大，根据I＝eq \f(U,R)，可知通过A灯的电流增大，A灯变亮，而通过R0的电流减小，其两端电压减小，则B灯两端电压增大，B灯变亮，故B正确，C、D错误。
三、金属热电阻和热敏电阻
1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如图中图线①所示。
2．热敏电阻
(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图中图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数热敏电阻。常用的是负温度系数热敏电阻。
3．作用：金属热电阻和热敏电阻把温度这个热学量转换成电阻这个电学量。
将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
答案 由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏。
例4 (多选)电阻R随温度T变化的图像如图所示。下列说法正确的是( )
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
答案 BD
解析 金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错误，B正确；图线1对应的材料化学稳定性好，但灵敏度差，图线2对应的材料化学稳定性差，但灵敏度高，所以C错误，D正确。
例5 (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的带电荷量增大
B．理想电压表的示数增大
C．电容器C两板间的电场强度减小
D．R1消耗的功率增大
答案 AB
解析 当环境温度降低时，R2的阻值增大，电路的总电阻增大，由I＝eq \f(E,R总)可知I减小，又U＝E－Ir，则电压表的示数增大，B正确；由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1减小，D错误；电容器C两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1减小，U2增大，由电场强度E电＝eq \f(U2,d)，Q＝CU2可知，Q、E电都增大，故A正确，C错误。
四、电阻应变片
1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时(伸长或缩短)，其电阻也随之变化的现象。
2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，它的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
4.应用实例：如图所示是一个应变式力传感器，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。在梁的自由端施加力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(填“大”或“小”)，下表面应变片的电阻变小(填“大”或“小”)。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大(填“大”或“小”)，下表面应变片两端的电压变小(填“大”或“小”)。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大，输出的电压差值也就越大(填“大”或“小”)。
例6 压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是( )
A．0到t1时间内，升降机一定静止
B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
答案 C
解析 从0～t1时间内，电流不变，根据闭合电路的欧姆定律可知电路中的总阻值不变，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1～t2时间内，电流增大，则电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上且逐渐增大，故B错误，C正确；t2～t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，物块受重力和支持力，根据牛顿第二定律有FN′－mg＝ma′，合力向上，加速度向上且大小不变，所以t2～t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误。
五、电容式传感器
电容式传感器：电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距d以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，那么这种电容器就被称为电容式传感器。
如图是电容式话筒的原理图，话筒的振动膜片上涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片，他们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离关系来工作，试分析它的工作原理。
答案 电容式话筒利用振动膜片接收空气振动信号，振动膜片与固定电极之间形成一个电容，两者之间的距离变化会导致其电容的变化。在电容器两端施加恒定的电压，通过电容器的电流就会变化。将这个电流信号进行转换，即可输出音频信号。
例7 (多选)(2022·江苏省苏州中学阶段测试)传感器是智能社会的基础元件。如图为电容式位移传感器的示意图，测出电容C的变化即可知道物体位移x的变化，eq \f(ΔC,Δx)表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L，测量范围为－eq \f(L,2)≤x≤eq \f(L,2)，下列说法正确的是( )
A．若电容器的电容变大，物体向－x方向运动
B．若电容器的电容变大，物体向＋x方向运动
C．电介质的相对介电常数越大，传感器灵敏度越高
D．电容器的板间电压越大，传感器灵敏度越高
答案 AC
解析 根据电容决定式C＝eq \f(εrS,4πkd)可知，电容器的电容变大，说明电容器极板间的电介质板长度增加，则物体沿－x方向运动，故A正确，B错误。电介质的相对介电常数εr越大，电介质板移动相同的位移，电容的变化量ΔC越大，传感器灵敏度越高，故C正确。电容器的板间电压变大，但电容不发生变化，则传感器灵敏度不变，故D错误。
课时对点练
考点一 传感器及其工作原理
1．下列关于传感器的说法，正确的是( )
A．所有传感器都是由半导体材料制成的
B．传感器不是电视遥控接收器的主要元件
C．话筒中的传感器将电信号转换为声信号
D．传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断
答案 D
解析 传感器材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误；电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器，B错误；话筒中的传感器是声传感器，它将声信号转换为电信号，C错误；传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断，D正确。
2．现代生活离不开智能手机，手机有很多功能需要传感器来实现。例如当人将手机靠近耳朵接听电话时，手机会自动关闭屏幕从而达到防误触的目的，实现这一功能可能用到的传感器为( )
A．光传感器和位移传感器
B．磁传感器和温度传感器
C．磁传感器和声传感器
D．压力传感器和加速度传感器
答案 A
解析 当人将手机靠近耳朵接听电话时，改变了位移，并且耳朵会挡住光线，所以可能用到的传感器为光传感器和位移传感器，A正确，B、C、D错误。
考点二 常见传感器及其应用
3.位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑片P移动，通过电压表显示的数据来反映物体M位移的大小x。假设电压表是理想电表，物体M不动时，滑片P位于滑动变阻器正中间位置，则下列说法正确的是( )
A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C．物体M不动时，电路中没有电流
D．物体M不动时，电压表没有示数
答案 B
解析 电压表为理想电表，则电压表不分流，故滑片P移动时不会改变电路的电阻，也就不会改变电路中的电流，且电路中始终有电流，故A、C错误；电压表测的是滑片P左侧电阻分得的电压，故示数随物体M的运动亦即滑片P的移动而变化，物体M不动时，电压表仍有读数，故B正确，D错误。
4．传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、角度等)转换成电学物理量(如电压、电流、电荷量等)的一种元件。如图中的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器，下列说法正确的是( )
A．图甲中两极间的电荷量不变，若电压减小，可判断出h变小
B．图乙中两极间的电荷量不变，若电压增大，可判断出θ变小
C．图丙中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，则x变小
D．图丁中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则F变大
答案 D
解析 题图甲中两极间的电荷量不变，若电压减小，则由电容的定义式C＝eq \f(Q,U)分析可知，电容增大，由电容的决定式C＝eq \f(εrS,4πkd)可知，两极间正对面积增大，h变大，A错误；题图乙中两极间的电荷量不变，若电压增大，则电容减小，极板正对面积减小，θ变大，B错误；题图丙中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，说明电容器在放电，电荷量减小，电容减小，电介质向外移动，则x变大，C错误；题图丁中两极间的电压不变，若电流流向传感器的正极，说明电容器在充电，电荷量增加，电容增大，两电极间距离减小，则F变大，D正确。
5．对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下：传感器的核心为一惠斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不发生变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测。由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为( )
A．铜 B．合金
C．半导体 D．绝缘体
答案 C
解析 由题意可知，该电阻为热敏电阻，热敏电阻由半导体材料制成，故C正确，A、B、D错误。
6.如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器(温度越高，其阻值越小)，a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时，流过显示器的电流I2、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I2变大，U变大 B．I2变小，U变小
C．I2变小，U变大 D．I2变大，U变小
答案 D
解析 当传感器R2所在处出现火情时，R2的阻值减小，则外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中总电流将增大，由U＝E－Ir可知，路端电压减小，即报警器两端的电压U将减小；因总电流I增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R3的电流I3减小，流过R2的电流I2＝I－I3变大，选项A、B、C错误，D正确。
7.如图是安装在潜水器上的深度表的电路简图，显示器由电流表(电阻不计)改装而成，压力传感器的电阻随压力的增大而减小，电源电动势E不变，内阻为r，定值电阻阻值为R0，在潜水器下潜过程中，电路中有关物理量的变化情况是( )
A．通过显示器的电流减小
B．R0两端的电压增大
C．传感器两端的电压增大
D．电路的总功率减小
答案 B
解析 在潜水器下潜过程中，压力传感器受到的压力越来越大，压力传感器的电阻随压力的增大而减小，由闭合电路欧姆定律I＝eq \f(E,R传＋R0＋r)可知电路中的总电流增大，即通过显示器的电流增大，故A错误；R0两端的电压U＝IR0，电路中的电流增大，则U增大，故B正确；传感器两端的电压U传＝E－I(R0＋r)，由于I增大，E、R0、r都不变，则传感器两端的电压减小，故C错误；由P＝EI可知，电路的总功率增大，故D错误。
8.(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻(光照强度增大时电阻减小)，电压表内阻不计，当入射光强度增大时( )
A．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
答案 ABC
解析 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，D项错误；因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确。
9．(2023·杭州市高二期中)如图所示为某汽车的加速度传感器的俯视图。金属块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，金属块可带动电介质相对于外框左右移动(不能上下移动)，电容器与电源连接，并串联计算机的信号采集器。关于该传感器的说法正确的是( )
A．汽车保持静止时，电容器不带电
B．汽车静止时与直线运动时，电容器的电容可能相同
C．汽车由静止突然向右加速，电路中有逆时针方向的电流
D．汽车向右做匀加速运动过程中，电路中始终有顺时针方向的电流
答案 B
解析 汽车保持静止时，Q＝CU，电容器带电，故A错误；汽车静止时与匀速直线运动时，弹簧长度相同，电容器的电容相同，故B正确；当汽车向右加速运动时，电容器电介质相对于电容器向左运动，由C＝eq \f(εrS,4πkd)可知电容变大，因两极板间的电压不变，则电容器的电荷量变大，电路中有顺时针方向的电流，故C错误；汽车向右做匀加速运动过程中，加速度不变，弹簧伸长量不变，电容器充电完成后，不再有电流，故D错误。
10.霍尔元件是一种磁传感器，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，在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，霍尔元件中的载流子为负电荷。则下列说法正确的是( )
A．该元件能把电学量转换为磁学量
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，应保持元件上表面呈水平状态
D．如果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
答案 D
解析 霍尔元件把磁学量转换为电学量，A错误；由于霍尔元件中的载流子为负电荷，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上表面保持水平，则左、右表面间无电压产生，C错误；根据qvB＝qeq \f(U,d)得，U＝Bdv，又I＝nqSv，联立解得U＝eq \f(IBd,nqS)，可知保持电流不变，则左、右表面的电势差与磁感应强度成正比，D正确。
11．(多选)如图甲所示，“火灾警报系统”电路中，理想变压器原、副线圈匝数之比为10∶1，原线圈接入图乙所示的电压，电压表和电流表均为理想电表，R0为半导体热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小，R1为滑动变阻器，当通过报警器的电流超过某值时，报警器将报警，下列说法正确的是( )
A．电压表V的示数为10 V
B．R0处出现火情时，电流表A的示数减小
C．R0处出现火情时，变压器的输入功率增大
D．要使报警器报警的临界温度升高，可将R1的滑片P适当向下移动
答案 AC
解析 若原线圈的输入电压为U，其有效值为U1，根据有效值的定义，有eq \f(U2,R)·eq \f(T,2)＝eq \f(U12,R)T，其中U＝100eq \r(2) V，解得U1＝100 V，由变压器原理可得副线圈输出电压即电压表示数U2＝10 V，选项A正确；R0处出现火情时，热敏电阻的阻值减小，副线圈电流增大，根据变压器原理可知，电流表A的示数增大，变压器输入功率增大，选项B错误，C正确；将R1的滑片P向上移动，副线圈电路的总电阻变小，总电流增大，R0两端的电压变大，报警器的分压变小，电流也减小，能使报警器报警的临界温度升高，选项D错误。
12．有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图所示。它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻)、显示体重的仪表(其实质是电流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如表所示：
踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68 V，则：
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？
(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少？(取g＝10 N/kg)
答案 (1)R＝300－0.6F(Ω) (2)15.6 mA (3)55 kg
解析 (1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F(Ω)。
(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300 Ω，电路中的电流为I1＝eq \f(U,R1)＝eq \f(4.68,300) A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处。
(3)当电流表刻度盘的示数为I2＝20 mA时，压力传感器的电阻R2＝eq \f(U,I2)＝eq \f(4.68,20×10－3) Ω＝234 Ω，由R＝300－0.6F(Ω)，解得F2＝110 N。再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550 N。故人的体重为m＝eq \f(G,g)＝55 kg。压力F/N
0
50
100
150
200
250
300
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
2 常见传感器的工作原理及应用
[学习目标] 1.知道什么是传感器，了解传感器的种类(重点)。2.知道传感器的组成与应用模式。3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片、电容式传感器的工作原理及应用(难点)。
一、传感器及其工作原理
干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
答案 (1)灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。
(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。
1．传感器
(1)定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号(通常是电压、电流等电学量)输出，或转换为电路的通断的器件或装置。
(2)功能：把非电学量转化为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．传感器的种类、组成与应用模式
(1)分类：按传感器的工作原理的不同，把传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
(2)组成：传感器主要由敏感元件、转换元件组成。
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。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：将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(3)应用模式：
例1 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制成的
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．水银温度计是一种传感器
答案 B
解析 传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误。
例2 在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法”检测，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类( )
A．物理传感器B．化学传感器
C．生物传感器D．温度传感器
答案 C
解析 酶标法的原理应该是利用了生物酶，故应为生物传感器，C正确。
二、光敏电阻
1．特点：在被光照射时电阻发生变化，阻值随光照强度的增强而明显减小。
2．阻值发生变化的原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；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．应用实例：在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图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。当光被产品挡住时，R1电阻增大(填“增大”“减小”或“不变”)，电路中电流减小，R2两端电压减小(填“增大”“减小”或“不变”)，信号处理系统得到低(填“高”或“低”)电压，每通过一个产品就获得一次低(填“高”或“低”)电压，并计数一次。
例3 (多选)(2023·雅安高二期末)某小区为积极响应市政府提出的“迎峰度冬”节约用电工作，拟将小区路灯电路进行改造，实现路灯亮度自控。如图所示为其内部电路简化原理图，电源电动势为E，内阻为r，RL为光敏电阻(光照强度增加时，其电阻阻值减小)。现减小光照强度，下列判断正确的是( )
A．电源的效率变大
B．A灯和B灯都变亮
C．R0两端电压变大
D．电源内部发热功率不变
答案 AB
解析 电源的效率为
η＝eq \f(I总2R外,I总2R外＋r)×100%＝eq \f(1,1＋\f(r,R外))×100%
减小光照强度，光敏电阻阻值增大，则外电阻增大，电源的效率增大，故A正确；光照强度增加时，光敏电阻阻值减小，现减小光照强度，其电阻阻值增大，根据I总＝eq \f(E,R外＋r)，可知总电流减小，根据Pr＝I总2·r，可知电源内部发热功率减小，根据U＝E－I总r，可知路端电压增大，根据I＝eq \f(U,R)，可知通过A灯的电流增大，A灯变亮，而通过R0的电流减小，其两端电压减小，则B灯两端电压增大，B灯变亮，故B正确，C、D错误。
三、金属热电阻和热敏电阻
1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如图中图线①所示。
2．热敏电阻
(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图中图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数热敏电阻。常用的是负温度系数热敏电阻。
3．作用：金属热电阻和热敏电阻把温度这个热学量转换成电阻这个电学量。
将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
答案 由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏。
例4 (多选)电阻R随温度T变化的图像如图所示。下列说法正确的是( )
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
答案 BD
解析 金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错误，B正确；图线1对应的材料化学稳定性好，但灵敏度差，图线2对应的材料化学稳定性差，但灵敏度高，所以C错误，D正确。
例5 (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的带电荷量增大
B．理想电压表的示数增大
C．电容器C两板间的电场强度减小
D．R1消耗的功率增大
答案 AB
解析 当环境温度降低时，R2的阻值增大，电路的总电阻增大，由I＝eq \f(E,R总)可知I减小，又U＝E－Ir，则电压表的示数增大，B正确；由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1减小，D错误；电容器C两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1减小，U2增大，由电场强度E电＝eq \f(U2,d)，Q＝CU2可知，Q、E电都增大，故A正确，C错误。
四、电阻应变片
1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时(伸长或缩短)，其电阻也随之变化的现象。
2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，它的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
4.应用实例：如图所示是一个应变式力传感器，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。在梁的自由端施加力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(填“大”或“小”)，下表面应变片的电阻变小(填“大”或“小”)。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大(填“大”或“小”)，下表面应变片两端的电压变小(填“大”或“小”)。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大，输出的电压差值也就越大(填“大”或“小”)。
例6 压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是( )
A．0到t1时间内，升降机一定静止
B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
答案 C
解析 从0～t1时间内，电流不变，根据闭合电路的欧姆定律可知电路中的总阻值不变，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1～t2时间内，电流增大，则电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上且逐渐增大，故B错误，C正确；t2～t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，物块受重力和支持力，根据牛顿第二定律有FN′－mg＝ma′，合力向上，加速度向上且大小不变，所以t2～t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误。
五、电容式传感器
电容式传感器：电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距d以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，那么这种电容器就被称为电容式传感器。
如图是电容式话筒的原理图，话筒的振动膜片上涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片，他们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离关系来工作，试分析它的工作原理。
答案 电容式话筒利用振动膜片接收空气振动信号，振动膜片与固定电极之间形成一个电容，两者之间的距离变化会导致其电容的变化。在电容器两端施加恒定的电压，通过电容器的电流就会变化。将这个电流信号进行转换，即可输出音频信号。
例7 (多选)(2022·江苏省苏州中学阶段测试)传感器是智能社会的基础元件。如图为电容式位移传感器的示意图，测出电容C的变化即可知道物体位移x的变化，eq \f(ΔC,Δx)表示该传感器的灵敏度。电容器极板和电介质板长度均为L，测量范围为－eq \f(L,2)≤x≤eq \f(L,2)，下列说法正确的是( )
A．若电容器的电容变大，物体向－x方向运动
B．若电容器的电容变大，物体向＋x方向运动
C．电介质的相对介电常数越大，传感器灵敏度越高
D．电容器的板间电压越大，传感器灵敏度越高
答案 AC
解析 根据电容决定式C＝eq \f(εrS,4πkd)可知，电容器的电容变大，说明电容器极板间的电介质板长度增加，则物体沿－x方向运动，故A正确，B错误。电介质的相对介电常数εr越大，电介质板移动相同的位移，电容的变化量ΔC越大，传感器灵敏度越高，故C正确。电容器的板间电压变大，但电容不发生变化，则传感器灵敏度不变，故D错误。
课时对点练
考点一 传感器及其工作原理
1．下列关于传感器的说法，正确的是( )
A．所有传感器都是由半导体材料制成的
B．传感器不是电视遥控接收器的主要元件
C．话筒中的传感器将电信号转换为声信号
D．传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断
答案 D
解析 传感器材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误；电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器，B错误；话筒中的传感器是声传感器，它将声信号转换为电信号，C错误；传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断，D正确。
2．现代生活离不开智能手机，手机有很多功能需要传感器来实现。例如当人将手机靠近耳朵接听电话时，手机会自动关闭屏幕从而达到防误触的目的，实现这一功能可能用到的传感器为( )
A．光传感器和位移传感器
B．磁传感器和温度传感器
C．磁传感器和声传感器
D．压力传感器和加速度传感器
答案 A
解析 当人将手机靠近耳朵接听电话时，改变了位移，并且耳朵会挡住光线，所以可能用到的传感器为光传感器和位移传感器，A正确，B、C、D错误。
考点二 常见传感器及其应用
3.位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑片P移动，通过电压表显示的数据来反映物体M位移的大小x。假设电压表是理想电表，物体M不动时，滑片P位于滑动变阻器正中间位置，则下列说法正确的是( )
A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C．物体M不动时，电路中没有电流
D．物体M不动时，电压表没有示数
答案 B
解析 电压表为理想电表，则电压表不分流，故滑片P移动时不会改变电路的电阻，也就不会改变电路中的电流，且电路中始终有电流，故A、C错误；电压表测的是滑片P左侧电阻分得的电压，故示数随物体M的运动亦即滑片P的移动而变化，物体M不动时，电压表仍有读数，故B正确，D错误。
4．传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、角度等)转换成电学物理量(如电压、电流、电荷量等)的一种元件。如图中的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器，下列说法正确的是( )
A．图甲中两极间的电荷量不变，若电压减小，可判断出h变小
B．图乙中两极间的电荷量不变，若电压增大，可判断出θ变小
C．图丙中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，则x变小
D．图丁中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则F变大
答案 D
解析 题图甲中两极间的电荷量不变，若电压减小，则由电容的定义式C＝eq \f(Q,U)分析可知，电容增大，由电容的决定式C＝eq \f(εrS,4πkd)可知，两极间正对面积增大，h变大，A错误；题图乙中两极间的电荷量不变，若电压增大，则电容减小，极板正对面积减小，θ变大，B错误；题图丙中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，说明电容器在放电，电荷量减小，电容减小，电介质向外移动，则x变大，C错误；题图丁中两极间的电压不变，若电流流向传感器的正极，说明电容器在充电，电荷量增加，电容增大，两电极间距离减小，则F变大，D正确。
5．对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下：传感器的核心为一惠斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不发生变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测。由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为( )
A．铜 B．合金
C．半导体 D．绝缘体
答案 C
解析 由题意可知，该电阻为热敏电阻，热敏电阻由半导体材料制成，故C正确，A、B、D错误。
6.如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器(温度越高，其阻值越小)，a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时，流过显示器的电流I2、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I2变大，U变大 B．I2变小，U变小
C．I2变小，U变大 D．I2变大，U变小
答案 D
解析 当传感器R2所在处出现火情时，R2的阻值减小，则外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中总电流将增大，由U＝E－Ir可知，路端电压减小，即报警器两端的电压U将减小；因总电流I增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R3的电流I3减小，流过R2的电流I2＝I－I3变大，选项A、B、C错误，D正确。
7.如图是安装在潜水器上的深度表的电路简图，显示器由电流表(电阻不计)改装而成，压力传感器的电阻随压力的增大而减小，电源电动势E不变，内阻为r，定值电阻阻值为R0，在潜水器下潜过程中，电路中有关物理量的变化情况是( )
A．通过显示器的电流减小
B．R0两端的电压增大
C．传感器两端的电压增大
D．电路的总功率减小
答案 B
解析 在潜水器下潜过程中，压力传感器受到的压力越来越大，压力传感器的电阻随压力的增大而减小，由闭合电路欧姆定律I＝eq \f(E,R传＋R0＋r)可知电路中的总电流增大，即通过显示器的电流增大，故A错误；R0两端的电压U＝IR0，电路中的电流增大，则U增大，故B正确；传感器两端的电压U传＝E－I(R0＋r)，由于I增大，E、R0、r都不变，则传感器两端的电压减小，故C错误；由P＝EI可知，电路的总功率增大，故D错误。
8.(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻(光照强度增大时电阻减小)，电压表内阻不计，当入射光强度增大时( )
A．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
答案 ABC
解析 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，D项错误；因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确。
9．(2023·杭州市高二期中)如图所示为某汽车的加速度传感器的俯视图。金属块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，金属块可带动电介质相对于外框左右移动(不能上下移动)，电容器与电源连接，并串联计算机的信号采集器。关于该传感器的说法正确的是( )
A．汽车保持静止时，电容器不带电
B．汽车静止时与直线运动时，电容器的电容可能相同
C．汽车由静止突然向右加速，电路中有逆时针方向的电流
D．汽车向右做匀加速运动过程中，电路中始终有顺时针方向的电流
答案 B
解析 汽车保持静止时，Q＝CU，电容器带电，故A错误；汽车静止时与匀速直线运动时，弹簧长度相同，电容器的电容相同，故B正确；当汽车向右加速运动时，电容器电介质相对于电容器向左运动，由C＝eq \f(εrS,4πkd)可知电容变大，因两极板间的电压不变，则电容器的电荷量变大，电路中有顺时针方向的电流，故C错误；汽车向右做匀加速运动过程中，加速度不变，弹簧伸长量不变，电容器充电完成后，不再有电流，故D错误。
10.霍尔元件是一种磁传感器，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，在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，霍尔元件中的载流子为负电荷。则下列说法正确的是( )
A．该元件能把电学量转换为磁学量
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，应保持元件上表面呈水平状态
D．如果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
答案 D
解析 霍尔元件把磁学量转换为电学量，A错误；由于霍尔元件中的载流子为负电荷，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上表面保持水平，则左、右表面间无电压产生，C错误；根据qvB＝qeq \f(U,d)得，U＝Bdv，又I＝nqSv，联立解得U＝eq \f(IBd,nqS)，可知保持电流不变，则左、右表面的电势差与磁感应强度成正比，D正确。
11．(多选)如图甲所示，“火灾警报系统”电路中，理想变压器原、副线圈匝数之比为10∶1，原线圈接入图乙所示的电压，电压表和电流表均为理想电表，R0为半导体热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小，R1为滑动变阻器，当通过报警器的电流超过某值时，报警器将报警，下列说法正确的是( )
A．电压表V的示数为10 V
B．R0处出现火情时，电流表A的示数减小
C．R0处出现火情时，变压器的输入功率增大
D．要使报警器报警的临界温度升高，可将R1的滑片P适当向下移动
答案 AC
解析 若原线圈的输入电压为U，其有效值为U1，根据有效值的定义，有eq \f(U2,R)·eq \f(T,2)＝eq \f(U12,R)T，其中U＝100eq \r(2) V，解得U1＝100 V，由变压器原理可得副线圈输出电压即电压表示数U2＝10 V，选项A正确；R0处出现火情时，热敏电阻的阻值减小，副线圈电流增大，根据变压器原理可知，电流表A的示数增大，变压器输入功率增大，选项B错误，C正确；将R1的滑片P向上移动，副线圈电路的总电阻变小，总电流增大，R0两端的电压变大，报警器的分压变小，电流也减小，能使报警器报警的临界温度升高，选项D错误。
12．有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图所示。它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻)、显示体重的仪表(其实质是电流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如表所示：
踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68 V，则：
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？
(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少？(取g＝10 N/kg)
答案 (1)R＝300－0.6F(Ω) (2)15.6 mA (3)55 kg
解析 (1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F(Ω)。
(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300 Ω，电路中的电流为I1＝eq \f(U,R1)＝eq \f(4.68,300) A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处。
(3)当电流表刻度盘的示数为I2＝20 mA时，压力传感器的电阻R2＝eq \f(U,I2)＝eq \f(4.68,20×10－3) Ω＝234 Ω，由R＝300－0.6F(Ω)，解得F2＝110 N。再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550 N。故人的体重为m＝eq \f(G,g)＝55 kg。压力F/N
0
50
100
150
200
250
300
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
相关学案
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