2020版高考物理新设计一轮复习江苏专版讲义：第十章第3节传感器及其应用

第3节传感器及其应用

1．传感器：有这样一类元件，能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。

2．光敏电阻：光敏电阻是把光照强弱这个光学量转换为电阻这一电学量的元件。通常是由硫化镉等半导体材料制成，其特点是光照变强，电阻变小。

3．金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻是由铂、铜等金属材料制成，其特点是温度升高，电阻变大；热敏电阻是由半导体材料制成，其特点是温度升高，电阻变小。它们都能够把温度这个热学量转化为电阻这个电学量。

4．霍尔元件：通常是由半导体元件制成，其产生的霍尔电压UH＝k。霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换为电压这个电学量。

5．力传感器：典型的应用是电子秤，其中的主要元件为应变片，它的作用是将物体形变这一力学量转化为电压这一电学量。

6．温度传感器：典型的应用是日光灯启动器和电熨斗，其中的主要元件为双金属片。日光灯启动器中的双金属片，其外层材料的热膨胀系数小于内层材料的热膨胀系数。电熨斗的工作原理(如图)：

双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层，常温下，弹性铜片和双金属片触点是接触的，通电后，电热丝发热，当温度升高到某一值时，双金属片上层的金属受热膨胀，形变量大于下层金属，双金属片向下弯曲，使触点分离，切断电路；随着温度的降低，当降到某一温度时，双金属片收缩恢复原状，两触点又接触，接通电路。

调温旋钮下压弹性铜片，可使触点分离的温度升高；上提弹性铜片，可降低触点的分离温度，从而实现了调温控制。

7．感温铁氧体：也叫感温磁体。常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，当温度上升到约103 ℃时，就失去铁磁性，不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。

8．电饭锅：结构图如图所示。

其工作过程：开始煮饭时压下开关按钮，由于常温下感温铁氧体具有磁性，永磁体将吸引感温磁体，因此手松开后这个按钮不会恢复到图示位置，则触点接触，电路接通，这时电饭锅处于加热状态。当水沸腾时，水的温度保持沸点不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热。当饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度上升，当温度超过103 ℃时，感温磁铁失去铁磁性，由于弹簧的作用，按钮开关将恢复到如图所示的位置，切断电源，从而停止加热。

9.光传感器：光传感器是将光信号转化为电信号的装置，实际应用有鼠标器和火灾报警器等。烟雾式火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的。罩内装有发光二极管、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管收不到发光二极管发出的光，呈高电阻状态。当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。

突破点(一)　热敏电阻的特征

热敏电阻是用半导体材料制成的，一般分为正温度系数热敏电阻(简称PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC)，区别在于正温度系数热敏电阻阻值随温度的升高而变大，负温度系数热敏电阻阻值随温度的升高而变小。高中重点掌握的是负温度系数热敏电阻，如果题目没有特殊说明，一般认为是负温度系数热敏电阻。其电阻随温度变化的曲线如图所示。

[题点全练]

1.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________(填“左”或“右”)转动；若用吹风机向Rt吹热风，表针将向________(填“左”或“右”)转动。

解析：热敏电阻为负温度系数的特性。若往上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏。

答案：左　右

2．(2019·如东检测)某温控电路的原理如图所示，RM是半导体热敏电阻，R是滑动变阻器，某种仪器要求在15 ℃～27 ℃的环境中工作，当环境温度偏高或偏低时，控制器会自动启动降温或升温设备。下列说法中正确的是(　　)

A．环境温度降低，RM的阻值减小

B．环境温度升高，Uab变大

C．滑片P向下移动时，Uab变大

D．调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度

解析：选D　RM是半导体热敏电阻，环境温度降低时，RM的阻值增大，故A错误；环境温度升高时，RM的阻值减小，根据串联电路中电压与电阻成正比，可以知道Uab变小，故B错误；滑片P向下移动时，R增大，总电流减小，则Uab变小，故C错误；调节滑片P时，可改变Uab，从而改变升温和降温设备启动时的临界温度，所以D选项是正确的。

突破点(二)　霍尔电压UH的公式推导

对高中阶段而言，我们所涉及的载流子一般取自由电子分析。一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示。沿PQ方向通入电流，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电压。设薄片厚度为d，PQ方向长度为l，MN方向长度为a，薄片中的载流子受到磁场力发生偏转，使M侧电势高于N侧，造成半导体内部出现电场，带电粒子同时受到静电力作用。当磁场力与静电力平衡时，MN间的电压达到恒定。

设材料单位体积的载流子数目为n，载流子的电荷量为e，可以列出

I＝neSv＝neadv，qvB＝q，求解可得UH＝。

取霍尔系数k＝，得UH＝k。

对任一霍尔元件而言，k、d为定值，如果保持I恒定。UH与B成正比，只要求出UH，就可以得出B，这就是霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换成电学量的原因。

[题点全练]

1．[多选](2018·扬州模拟)如图所示，一绝缘容器内部为长方体空腔，容器内盛有NaCl的水溶液，容器上下端装有铂电极A和C，置于与容器表面垂直的匀强磁场中，开关K闭合前容器两侧P、Q两管中液面等高，闭合开关后(　　)

A．M处钠离子浓度大于N处钠离子浓度

B．M处氯离子浓度小于N处氯离子浓度

C．M处电势高于N处电势

D．P管中液面高于Q管中液面

解析：选AD　依据正离子的定向移动方向与电流方向相同，而负离子移动方向与电流方向相反，根据左手定则可知，正、负离子均向M处偏转，因此电势相等，故A正确，B、

C错误；当开关闭合时，液体中有从A到C方向的电流，根据左手定则可知，液体将受到向M的安培力作用，在液面内部将产生压强，因此P管中的液面将比Q管中的高，故D正确。

2．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。永久磁铁的左右两侧分别为N、S极，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霍尔电压，已知霍尔电压与车速关系如图丙所示。以下关于“霍尔转把”叙述正确的是(　　)

A．为提高控制的灵敏度，可改变永久磁铁的上、下端分别为N、S极

B．按图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套)，车速将变慢

C．图乙中从霍尔器件的前后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C　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，磁场与电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作用，那么霍尔器件不能输出控制车速的电势差，故A错误；当按题图甲顺时针转动把手，导致霍尔器件周围的磁场增强，那么霍尔器件输出控制车速的电势差增大，因此车速变快，故B错误；根据题意，结合题图乙的示意图，可知永久磁铁的磁感线从霍尔器件左、右侧面垂直穿过，因此从霍尔器件前后面输出控制车速的电势差，故C正确；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，但由题图丙可知，不会影响车速控制，故D错误。

突破点(三)　电容式传感器的分类

电容式传感器就是把非电学量转化为电容这一电学量。由公式C＝可得电容式传感器有三类：(1)变极距式；(2)变面积式；(3)变介质式。

[题点全练]

1．[多选]传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示是一测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化。将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么(　　)

A．当F向上压膜片电极时，电容将减小

B．当F向上压膜片电极时，电容将增大

C．若电流计有示数，则压力F发生变化

D．若电流计有示数，则压力F不发生变化

解析：选BC　当F向上压膜片电极时，电容器两极板间距离减小，由电容的决定式C＝得到，电容器的电容将增大，故A错误，B正确；当F变化时，电容变化，而极板间电压不变，由Q＝CU，可知带电荷量Q发生变化，电容器将发生充、放电现象，回路中有电流，电流计有示数，反之，电流计有示数时，压力F必发生变化。故C正确，D错误。

2．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。如下图所示为几种电容式传感器，其中通过改变电容器两极板间距离而引起电容变化的是(　　)

解析：选C　选项A是通过改变电介质，来改变电容器的电容，故A错误；选项B中电容器的一个极板是金属芯线，另一个极板是导电液，故是通过改变电容器两极间正对面积而引起电容变化的，故B错误；选项C是通过改变极板间的距离，改变电容器的电容，故C正确；选项D是通过转动动片改变正对面积，改变电容器的电容，故D错误。

突破点(四)　应变片和双金属片的区别

应变片多用半导体材料制成的，当外力越大时，弯曲形变越大，上下表面的阻值变化就越大，如果保证通过应变片的电流恒定，那么上下表面的电压差就越大，传感器输出的就是电压差。双金属片应用的是不同金属的受热膨胀系数不同，从而达到控制电路通断的目的。

[题点全练]

1．[多选]关于电子秤中应变式力传感器，下列说法中正确的是(　　)

A．应变片是由导体材料制成的

B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之电阻变小

C．传感器输出的是应变片上的电压

D．外力越大，输出的电压差值也越大

解析：选BD　电子秤中的应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成，故A错误；当应变片的表面拉伸时，电阻变大，故B正确；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，传感器把这两个电压的差值输出，故C错误；力F越大，输出的电压差值也就越大，故D正确。

2．[多选](2018·南通模拟)如图是某电子秤的原理图，人只要站在踏板上，仪表G就能显示人的体重，踏板下面的传感器R实质是一个阻值可随压力大小而变化的电阻，显示体重的仪表G实质是理想电流表，如果不计踏板的质量，电阻R随人的体重G变化的函数关系式为R＝a－kG(a、k是常量，G和R的单位分别是N和Ω)。下列说法正确的是(　　)

A．传感器R是一个力电传感器

B．闭合电路测量时，电路中的电流随人的体重均匀变化

C．该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘的零刻度处

D．如果要扩大电子秤的量程，滑动变阻器R′接入电路中的电阻应调大

解析：选AD　R是将压力信号转换成电信号的传感器，即力电传感器，故A正确；闭合电路测量时，电路中的电流：I＝，显然与人的体重不成线性关系，故B错误；当重力为零时，电流最小，但不为零，故C错误；由Ig＝可知，kGm＝a＋r＋R′－，因此变阻器接入电路中的电阻调大，可以测量的人的最大体重增大，故D正确。