高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第五章 传感器2 常见传感器的工作原理及应用课后测评

第16讲 认识传感器、常见传感器的工作原理及应用

知识点01 传感器及其工作原理

1．传感器的定义：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输出．通常是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断．

2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制．

3．传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成．

【知识拓展1】

1．传感器的核心元件

(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：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、电阻等．

2．传感器的工作原理

传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等．这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作．传感器的工作原理如下所示：

→→→→

【即学即练1】唱卡拉OK用的话筒，内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号，下列说法正确的是（　　）

A．该传感器是根据电流的磁效应工作的 B．该传感器是根据电磁感应原理工作的

C．该传感器的敏感元件是线圈 D．该传感器的转换元件是永磁体

知识点02  光敏电阻

1.光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，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．

2．光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照时，载流子增多，导电性能明显增强，光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小．

3．光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小．它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．

知识点03  金属热电阻、热敏电阻及电阻应变片

1．金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝可以制作成温度传感器，称为热电阻．

2．热敏电阻：用半导体材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小．

3．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象．

4．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，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应．

5．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．

【即学即练2】如图所示，厚度为、宽为的金属导体板放在垂直于它的磁感应强度为的匀强磁场中，当电流通过金属导体板时，在金属导体板的上侧面和下侧面之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，电势差、电流和的关系为，式中的比例系数称为霍尔系数。下列说法正确的是（　　）

A．达到稳定的状态时，金属导体板上侧面的电势一定高于下侧面的电势

B．达到稳定的状态时，金属导体板上侧面的电势一定低于下侧面的电势

C．增大导体的厚度时，之间的电势差将变大

D．增大磁感应强度时，之间的电势差将变小

考法01  认识传感器

【典例1】如图，在电路中接一段钨丝（从旧白炽灯中取出），闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时灯泡亮度明显变暗，根据钨丝的上述特性，可用钨丝来制作一个温度传感器，下面的说法中正确的是（　　）

A．该传感器利用了钨丝的化学性质

B．该传感器的原理是把电学量（电阻）转换为热学量（温度）

C．该传感器的敏感元件是钨丝，转换元件是灯泡

D．该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的特性

考法02  传感器及其工作原理

【典例2】压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，某同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，如图（a）所示．现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，电流表的示数如图（b）所示．下列判断正确的是（    ）．

A．在时间至内，小车做匀速直线运动 B．在时间至内，小车做匀加速直线运动

C．在时间至内，小车做匀速直线运动 D．在时间至内，小车做匀加速直线运动

题组A  基础过关练

1．下面哪一项不是现代传感器的应用（　　）

A．将自己的银行卡插进自动取款机里可以取钱，而不必麻烦银行工作人员

B．电梯的两门靠拢接触到人体时，门会自动打开而不会夹伤人

C．电饭煲能自动加热和保温而不会把饭烧焦

D．当你走近自动门时，门会自动打开

2．测量体温是新冠疫情防控的一种措施。在许多场合，使用手持测温仪测量体温，该测温仪用到的传感器通常是（  ）

A．气体传感器 B．红外线传感器

C．压力传感器 D．生物传感器

3．下列关于传感器说法正确的是（  ）

A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用

B．霍尔元件能够把磁学量（如磁感应强度）转化为电学量（如电压）

C．光敏电阻随光照强度增加电阻增大

D．热敏电阻的阻值随温度的升高而升高

4．有的楼道照明灯具有这样的功能：天黑到一定程度时，出现声音它就开启，而在白天，即使有声音它也没有反应。在这种楼道照明灯的控制电路中，可能接入的传感器是（　　）

A．温度传感器和光传感器 B．光传感器和声音传感器

C．声音传感器和热传感器 D．热传感器和力传感器

5．关于传感器，下列说法不正确的是（   ）

A．光敏电阻在有光照射时，电阻会变大

B．压力传感器是将力学量转化为电学量的装置

C．传感器是将非电学量转化为电学量的装置

D．传感器广泛应用于信息采集系统

6．自动化温室种植能使人们在寒冷的冬季享用到新鲜的蔬菜，自动控制室所利用的传感器是（　　）

A．压力传感器 B．声音传感器

C．温度传感器 D．气体传感器

7．以下家用电器中没有利用温度传感器的是（　　）

A．洗衣机 B．电冰箱 C．空调 D．电饭锅

8．下图中关于传感器的应用，说法正确的是（　　）

A．干簧管是利用电磁感应的原理控制电路的通断的

B．机器人“眼睛”利用了光传感器

C．红外测温枪向人体发射红外线，从而测量人体温度

D．火灾报警器是通过感知温度触发报警的

9．下列关于传感器的说法中不正确的是（　　）

A．传感器能将感受到的外部信息按照一定的规律转换为电信号

B．传感器在日常生活中并不常见

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．热敏电阻是将温度的变化转化为电信号的传感器

10．有一热敏电阻的电阻值在t1~t4的温度变化范围内，R­t图像如图所示。现将该热敏电阻接在欧姆表的两表笔上，做成一个电阻温度计。为了便于读数，再把欧姆表上的电阻值转换成温度值。现在要使该温度计对温度的变化反应较为灵敏，那么该温度计测量哪段范围内的温度较为适宜（设在t1~t4温度范围内，欧姆表的倍率不变）（　　）

A．t1~t2 B．t2~t3 C．t3~t4 D．都可以

题组B  能力提升练

1．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，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，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，导致话筒所在电路中的其他量发生变化，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可能是电容器两板间的（　　）

A．距离变化 B．正对面积变化

C．介质变化 D．电压变化

2．酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测。它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化。在如图所示的电路中，酒精气体的不同浓度对应着传感器的不同电阻。这样，电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度C之间的对应关系正确的是（　　）

A．U越大，表示C越大，C与U成正比 B．U越大，表示C越小，但是C与U不成正比

C．U越大，表示C越小，C与U成反比 D．U越大，表示C越大，但是C与U不成反比

3．如图所示的电路可将声音信号转换为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b通过导线与恒定电源两极相接。若振动膜a周期性振动，则（　　）

A．a振动过程中，a、b板间的电场强度不变

B．a振动过程中，a、b板所带电荷量不变

C．a振动过程中，灵敏电流计中始终有方向不变的电流

D．a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大

4．.如图所示的电路可将声音信号转化为电信号，该电路中，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，构成了一个电容器，且通过导线与恒定电源两极相接，若声源S做简谐运动，则（　　）

A．a振动过程中，板之间的电场强度不变

B．a振动过程中，板所带的电荷量不变

C．a振动过程中，电路中始终有方向不变的电流

D．a板向右位移最大时，电容器的电容最大

5．酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测。它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化。在如图所示的电路中，酒精气体的不同浓度对应着传感器的不同电阻。这样，电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度C之间的对应关系正确的是（　　）

A．U越大，表示C越大，C与U成正比

B．U越大，表示C越大，但是C与U不成正比

C．U越大，表示C越小，C与U成反比

D．U越大，表示C越小，但是C与U不成反比

6．利用电容传感器可检测矿井渗水，及时发出安全警报，从而避免事故的发生。如图所示是一种通过测量电容器电容的变化来检测矿井中液面高低的仪器原理图，A为位置固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体（矿井中含有杂质的水），A、B、C构成电容器。若矿井渗水（导电液体深度增大），则电流（　　）

A．从b向a，A、B、C构成的电容器放电 B．从a向b，A、B、C构成的电容器放电

C．从b向a，A、B、C构成的电容器充电 D．从a向b，A、B、C构成的电容器充电

7．人体含水量约为70%，水中有钠离子、钾离子等离子存在，因此容易导电，脂肪则不容易导电。当人两手握住脂肪测量仪的两把手时，就可知道人体脂肪所占的比例，下列说法中不正确的是（　　）

A．脂肪测量仪的工作原理是通过人体电阻不同来判断人体脂肪所占的比例

B．脂肪测量仪的工作原理是通过人体体重不同来判断人体脂肪所占的比例

C．激烈运动之后，脂肪测量仪显示人体脂肪所占比例的测量数据会不准确

D．人在沐浴之后，脂肪测量仪显示人体脂肪所占比例的测量数据会不准确

8．随着生活水平的提高，电子秤已经成为日常生活中不可或缺的一部分，电子秤的种类也有很多，如图所示是用平行板电容器制成的厨房用电子秤及其电路简图。称重时，把物体放到电子秤面板上，压力作用会导致平行板上层膜片电极下移。则（　　）

A．电容器储存的电能减少

B．电容器的电容减小，带电荷量减小

C．膜片下移过程中，电流表有a到b的电流

D．电子秤是一个压力传感器，稳定后电容器两板间电压等于电源电动势

9．如图甲所示的电路中，理想变压器原、副线圈匝数比为10：1，原线圈接入图乙所示的正弦脉冲电压，副线圈接火灾报警系统（报警器未画出），电压表和电流表均为理想电表，R0为定值电阻，R为半导体热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小。下列说法中正确的是（　　）

A．图乙中电压的有效值为220V B．电压表的示数为11V

C．R处出现火警时电流表示数变小 D．R处出现火警时电阻R0消耗的电功率减小

10．药物生产车间需要严格控制室内温度范围，尽量保证较小的温度波动。如图是某监控温度波动的报警原理图，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，当报警器两端的电压变化量超出设定值时，报警器就会自动报警。下列说法正确的是（　　）

A．温度升高，报警器两端电压减小

B．温度降低，热敏电阻的热功率一定增大

C．滑动变阻器接入电路的阻值大，报警器容易报警

D．滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警无关

题组C  培优拔尖练

1．某同学准备用一种热敏电阻制作一只电阻温度计。他先通过实验描绘出一段该热敏电阻的I一U曲线，如图甲所示，再将该热敏电阻Rt，与某一定值电阻串联接在电路中，用理想电压表与定值电阻并联，并在电压表的表盘上标注温度值，制成电阻温度计，如图乙所示。下列说法中正确的是（　　）

A．从图甲可知，该热敏电阻的阻值随温度的升高而增大

B．图乙中电压表的指针偏转角越大，温度越高

C．温度越高，整个电路消耗的功率越小

D．若热敏电阻的阻值随温度均匀变化，则表盘上标注温度刻度也一定是均匀的

2．霍尔式位移传感器的测量原理如图所示，有一个沿z轴方向均匀变化的匀强磁场，磁感应强度B=B0+kz（B0、k均为常数，且k＞0）。将霍尔元件固定在物体上，保持通过霍尔元件的电流I不变（方向如图所示），当物体沿z轴正方向平移时，由于位置不同，霍尔元件在y轴方向的上、下表面的电势差U也不同。则（　　）

A．磁感应强度B越大，霍尔元件的前、后表面的电势差U越大

B．k越大，传感器灵敏度（）越高

C．若图中霍尔元件是电子导电，则下表面电势高

D．电流越大，霍尔元件的上、下表面的电势差U越小

3．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不是力电传感器

B．如果要增加电子秤的量程，滑动变阻器R′接入电路中的电阻应调大

C．如果要增加电子秤的灵敏度，滑动变阻器R′接入电路中的电阻应调大

D．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

4．关于传感器，下列说法不正确的是（　　）

A．热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量

B．烟雾散射式火灾报警器利用的是温度传感器

C．电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器作用是控制电路的通断

D．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

5．传感器可将非电学量转化为电学量，起自动控制作用，如计算机鼠标中有位移传感器，电饭煲中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器……，演示位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的滑动触头滑动，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小，假设电压表是理想的，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向x正方向运动，电压表示数增大

6．电磁学的成就极大地推动了人类社会的进步。下列说法正确的是（　　）

A．甲图中，这是录音机的录音电路原理图，当录音机录音时，由于话筒的声电转换，线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

B．乙图电路中，开关断开瞬间，灯泡会突然闪亮一下，并在开关处产生电火花

C．丙图中，在真空冶炼炉中，可以利用高频电流产生的涡流冶炼出高质量的合金

D．丁图中，钳形电流表是利用电磁感应原理制成的，它的优点是不需要切断导线，就可以方便地测出通过导线中交变电流的大小

7．随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭，洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，使热空气从机内吹出，将湿手烘干。某型号干手机的说明书中有如下一段文字：

功能与特点：

◆采用红外线感应原理，即感应即动作，卫生、方便；

◆超高温保护，即过热、过电流双重保护；

◆采用内热式的再循环原理，低噪音、高转速、烘干能力强；

◆高强度塑钢外壳，牢固可靠，美观大方。

据此可判断（　　）

A．该自动干手机内装有由温度传感器组成的保护电路

B．该自动干手机靠位移传感器来感知使用者手的靠近

C．该自动干手机消耗的电能转化为空气的内能及动能

D．该自动干手机靠红外线传感器来感知使用者手的靠近

8．某些非电磁量的测量是可以通过一些相应的装置转化为电磁量来测量的。一平行板电容器的两个极板竖直放置在光滑的水平平台上，极板的面积为S，极板间的距离为d，电容器的电容公式为（E是常数但未知）。极板1固定不动，与周围绝缘，极板2接地，且可在水平平台上滑动，并始终与极板1保持平行。极板2的侧边与劲度系数为k，自然长度为L的两个完全相同的弹簧相连。两弹簧的另一端固定，弹簧L与电容器垂直，如图甲所示。如图乙所示是这一装置的应用示意图，先将电容器充电至电压U后，即与电源断开，再在极板2的右侧的整个表面上施以均匀向左的待测压强p，使两极板之间的距离发生微小的变化。测得此时电容器的电压改变量为ΔU。设作用在电容器极板2上的静电力不致于引起弹簧可测量到的形变，试求待测压强p。

9．化学实验常用到恒温箱。如图（a）所示为简单恒温箱温控电路图，它由热敏电阻和继电器组成。如图（b）所示为热敏电阻的图像。设继电器线圈中电流大于或等于20mA 时，继电器衔铁吸合。若继电器线圈电阻为，为继电器线圈供电的电源（内阻可以不计）时，要使恒温箱内温度保持120℃，可变电阻的值应调节为多少。