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现代文阅读Ⅰ
把握共性之“新”　打通应考之“脉”
第五章　传感器
第一节　传感器及其工作原理
[学习目标]　1．知道什么是传感器，知道传感器的组成和分类．2．知道温度传感器、光电传感器的工作原理及应用．
必备知识·自主预习储备
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____信号的器件或装置．
可用
2．传感器的组成：传感器一般由________、转换元件和________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．
敏感元件
转换电路
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____传感器、____传感器和____传感器等．
(1)物理传感器：主要利用被测物理量(如____、____、位移、亮度等)变化时，敏感元件的电学量(如____、____、____等)发生明显变化的特性制成，如压电传感器、____传感器、______传感器、____传感器等．
物理
化学
生物
压力
温度
电阻
电压
电容
光电
加速度
温度
(2)化学传感器：主要是基于________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______气体传感器、____传感器、____传感器等．
(3)生物传感器：是一种基于__、____和____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__传感器、____传感器、____传感器等．
化学反应
半导体
湿敏
离子
酶
抗体
激素
酶
细胞
免疫
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____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的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____随温度的变化而变化的特性来实现对温度的测量，其电阻大小与温度高低有关，温度变化，电阻有明显变化．
温度
阻值
2．光电传感器的原理
(1)光电传感器：按照一定规律将______转化为______的传感器．
(2)光敏电阻：光电传感器的敏感元件，其阻值随光照的____而减小．
光信号
电信号
增强
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)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．]
关键能力·情境探究达成
提示：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏传感器等．
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？
考点1　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：非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量，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．]
考点2　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．]
规律方法　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．用如图所示的装置检测环境的光线强度，R1、R2、R3是固定电阻，R4是光敏电阻(光照强度变强时光敏电阻阻值变小)．在A、B两点连接一个检流计，检流计的电流由A点流入时指针向左偏，由B点流入时指针向右偏，开关S闭合后，当光照合适时，检流计的指针指向中间的零刻度(电源内阻不计)，以下说法正确的是(　　)
A．若检流计指针向左偏，说明室内光照强度过高
B．若检流计指针向左偏，说明室内光照强度过低
C．若检流计指针向左偏，可把电阻R1调大，检流计指针再次指中间
D．若检流计指针向左偏，可把电阻R2调小，检流计指针再次指中间
√
B　[若检流计指针指向零刻度，说明电桥平衡，A、B两点电势相等，此时＝E，则，若光照强度过高，R4阻值减小变大变小，A点电势降低，电流从B点流向A点，检流计右偏；若光照强度低，R4阻值变大变小变大，A点电势升高，电流从A点流向B点，检流计左偏，故A错误，B正确；由，检流计指针向左偏，R4变大，可调大R2，或调小R1，使检流计指针再次指中间，故C、D均错误．故选B．]
考点3　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＝k．
(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＝＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立解得UH＝．由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝，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＝k，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确．]
规律方法　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)利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域．如图甲所示是霍尔元件的工作原理示意图，实验表明，铜以及大多数金属的载流子是带负电荷的电子，但锌中的载流子带的却是正电．自行车的速度计的工作原理主要依靠的就是安装在自行车前轮上的一块磁铁，轮子每转一周，这块磁铁就靠近霍尔传感器一次，这样便可测出某段时间内的脉冲数．若自行车前轮的半径为R、磁铁到轴的距离为r，下列说法正确的是(　　)
A．若霍尔元件材料使用的是锌，通入如图甲所示的电流后，C端电势高于D端电势
B．当磁铁从如图乙所示的位置逐渐靠近霍尔传感器的过程中，C、D间的电势差越来越大
C．若自行车骑行过程中单位时间测得的脉冲数为N，此时的骑行速度为2πNr
D．由于前轮漏气，导致前轮半径比录入到速度计中的参数偏小，则速度计测得的骑行速度偏大
√
√
√
ABD　[若霍尔元件材料使用的是锌，则载流子带正电，通入题图甲所示的电流后，根据左手定则可知，载流子受磁场力向左，偏转到C端，故C端电势高于D端电势，选项A正确；根据q＝qvB，可知U＝Bdv，则当磁铁从题图乙所示的位置逐渐靠近霍尔传感器的过程中，B逐渐变大，则C、D间的电势差越来越大，选项B正确；自行车骑行过程中单位时间测得的脉冲数为N，即自行车转速为N，由线速度与转速的关系v＝2πRN，可知此时的骑行速度为2πRN，选项C错误；由于前轮漏气，导致前轮半径比录入到速度计中的参数小，则前轮转动的角速度会偏大，则单位时间测得的脉冲数N偏大，则速度计测得的骑行速度偏大，选项D正确．故选ABD．]
学习效果·随堂评估自测
1．如图所示，电吉他的弦是磁性物质，当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，把声音播放出来，下列说法正确的是(　　)
A．电吉他是光电传感器
B．电吉他是温度传感器
C．电吉他是声音传感器
D．弦改用尼龙材料原理不变
√
C　[物理传感器应用的是物理效应，比如光电效应、磁电效应等，能将被测信号量的微小变化转换成电信号，当弦振动时，线圈中产生感应电流，属于声音传感器，故C正确，A、B、D错误．故选C．]
2．(多选)如图所示是一种电感式微小位移传感器的原理图．1是待测位移的物体，3是空心线圈，软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中左右平移．关于这种传感器的工作原理，下列说法正确的是(　　)
A．这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是自感系数
B．通过这种传感器线圈的电流是交流电
C．软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件
D．当物体1向右移动时，线圈的自感系数增大
√
√
BC　[这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是电流，选项A错误；当软铁芯插入或拔出线圈时，在线圈中产生方向相反的电流，则通过这种传感器线圈的电流是交流电，选项B正确；因软铁芯的移动导致线圈中产生感应电流，则软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件，选项C正确；当物体1向右移动时，软铁芯插入线圈的深度减小，则线圈的自感系数减小，选项D错误．故选BC．]
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．]
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．
回归本节内容，自我完成以下问题：
1．什么叫传感器？
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．
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．
3．传感器的分类？
4．传感器的原理？
提示：将非电学量转化为电学量．
题号
1
3
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2
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9
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．]
题号
1
3
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2
4
6
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7
9
2．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
√
题号
1
3
5
2
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9
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
3．(多选)如图所示是测试热敏电阻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
题号
1
3
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√
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，故选B、D．]
题号
1
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9
√
4．(多选)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
题号
1
3
5
2
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7
9
√
√
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．]
题号
1
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√
5．(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
题号
1
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9
√
CD　[可按以下流程进行解题：
题号
1
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9
故C、D正确．]
√
?题组三　霍尔元件
6．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
题号
1
3
5
2
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6
8
7
9
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＝q得UH＝Bdv，由电流的微观定义式I＝nqSv(n是单位体积内的自由电荷数，q是单个自由电荷所带的电量，S是导体的横截面积，v是自由电荷运动的平均速率)整理得v＝，联立解得UH＝，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．]
题号
1
3
5
2
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7
9
√
7．春节期间，按照公安部统一部署，全国各大中城市进行了大规模集中整治酒驾行动．执法交警所使用的酒精测试仪主要元件是一种氧化物半导体传感器．这种具有N型导电性的氧化物的电阻会随其周围气体浓度的变化而变化．这种传感器的电阻与酒精气体的浓度c成反比，在如图所示的简化原理图中，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越小，但c与U不成反比
B．U越大，表示c越小，与U成反比
C．U越大，表示c越大，但c与U不成正比
D．U越大，表示c越大，c与U成正比
题号
1
3
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6
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7
9
C　[由闭合电路欧姆定律可知，电路电流I＝，电压表示数U＝IR0＝，传感器的电阻R传感器与酒精气体的浓度c成反比，酒精浓度c越大，R传感器越小，电压表示数U越大，所以U越大，R传感器越小，c越大，但是c与U不是正比关系，故A、B、D错误，C正确．故选C．]
题号
1
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9
√
8．(多选)某种角速度测量计结构如图所示，当整体系统绕轴OO′转动时，元件A发生位移并通过滑动变阻器输出电压U，电压传感器(传感器内阻无限大)接收相应的电压信号．已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计．滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，系统静止时P在变阻器的最左端B点，当系统以角速度ω转动时，则(　　)
A．电路中电流随角速度的增大而增大
B．输出电压U随角速度的增大而增大
C．输出电压U与ω的函数式为U＝
D．弹簧的伸长量为x＝
题号
1
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9
√
BC　[当系统在水平面内以角速度ω转动时，无论角速度增大还是减小，BC的电阻不变，根据闭合电路欧姆定律得知，电路中电流保持不变，与角速度无关，故A错误；当角速度增大，弹簧的伸长量增大，则BP之间的分压变大，即输出电压U增大，故B正确；设系统在水平面内以角速度ω转动时，弹簧伸长的长度为x，则对元件A，根据牛顿第二定律得kx＝mω2(l＋x) ，则得x＝，又输出电压为U＝E，联立两式得U＝，故C正确，D错误．故选BC．]
题号
1
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9．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．
题号
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[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＝ Ω＝1 000 Ω．
(2)当电流计的示数I2＝1.8 mA时
R＝－Rg＝ 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 ℃．
题号
1
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[答案]　(1)1 000 Ω　(2)20 ℃
谢 谢！第一节　传感器及其工作原理
[学习目标]　1．知道什么是传感器，知道传感器的组成和分类．2．知道温度传感器、光电传感器的工作原理及应用．
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可用信号的器件或装置．
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的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的变化而变化的特性来实现对温度的测量，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：按照一定规律将光信号转化为电信号的传感器．
(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)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：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏传感器等．
考点1　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：非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量，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．]
考点2　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．用如图所示的装置检测环境的光线强度，R1、R2、R3是固定电阻，R4是光敏电阻(光照强度变强时光敏电阻阻值变小)．在A、B两点连接一个检流计，检流计的电流由A点流入时指针向左偏，由B点流入时指针向右偏，开关S闭合后，当光照合适时，检流计的指针指向中间的零刻度(电源内阻不计)，以下说法正确的是(　　)
A．若检流计指针向左偏，说明室内光照强度过高
B．若检流计指针向左偏，说明室内光照强度过低
C．若检流计指针向左偏，可把电阻R1调大，检流计指针再次指中间
D．若检流计指针向左偏，可把电阻R2调小，检流计指针再次指中间
B　[若检流计指针指向零刻度，说明电桥平衡，A、B两点电势相等，此时＝E，则，若光照强度过高，R4阻值减小变大变小，A点电势降低，电流从B点流向A点，检流计右偏；若光照强度低，R4阻值变大变小变大，A点电势升高，电流从A点流向B点，检流计左偏，故A错误，B正确；由，检流计指针向左偏，R4变大，可调大R2，或调小R1，使检流计指针再次指中间，故C、D均错误．故选B．]
考点3　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＝k．
(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＝＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立解得UH＝．由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝，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＝k，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)利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域．如图甲所示是霍尔元件的工作原理示意图，实验表明，铜以及大多数金属的载流子是带负电荷的电子，但锌中的载流子带的却是正电．自行车的速度计的工作原理主要依靠的就是安装在自行车前轮上的一块磁铁，轮子每转一周，这块磁铁就靠近霍尔传感器一次，这样便可测出某段时间内的脉冲数．若自行车前轮的半径为R、磁铁到轴的距离为r，下列说法正确的是(　　)
A．若霍尔元件材料使用的是锌，通入如图甲所示的电流后，C端电势高于D端电势
B．当磁铁从如图乙所示的位置逐渐靠近霍尔传感器的过程中，C、D间的电势差越来越大
C．若自行车骑行过程中单位时间测得的脉冲数为N，此时的骑行速度为2πNr
D．由于前轮漏气，导致前轮半径比录入到速度计中的参数偏小，则速度计测得的骑行速度偏大
ABD　[若霍尔元件材料使用的是锌，则载流子带正电，通入题图甲所示的电流后，根据左手定则可知，载流子受磁场力向左，偏转到C端，故C端电势高于D端电势，选项A正确；根据q＝qvB，可知U＝Bdv，则当磁铁从题图乙所示的位置逐渐靠近霍尔传感器的过程中，B逐渐变大，则C、D间的电势差越来越大，选项B正确；自行车骑行过程中单位时间测得的脉冲数为N，即自行车转速为N，由线速度与转速的关系v＝2πRN，可知此时的骑行速度为2πRN，选项C错误；由于前轮漏气，导致前轮半径比录入到速度计中的参数小，则前轮转动的角速度会偏大，则单位时间测得的脉冲数N偏大，则速度计测得的骑行速度偏大，选项D正确．故选ABD．]
1．如图所示，电吉他的弦是磁性物质，当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，把声音播放出来，下列说法正确的是(　　)
A．电吉他是光电传感器
B．电吉他是温度传感器
C．电吉他是声音传感器
D．弦改用尼龙材料原理不变
C　[物理传感器应用的是物理效应，比如光电效应、磁电效应等，能将被测信号量的微小变化转换成电信号，当弦振动时，线圈中产生感应电流，属于声音传感器，故C正确，A、B、D错误．故选C．]
2．(多选)如图所示是一种电感式微小位移传感器的原理图．1是待测位移的物体，3是空心线圈，软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中左右平移．关于这种传感器的工作原理，下列说法正确的是(　　)
A．这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是自感系数
B．通过这种传感器线圈的电流是交流电
C．软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件
D．当物体1向右移动时，线圈的自感系数增大
BC　[这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是电流，选项A错误；当软铁芯插入或拔出线圈时，在线圈中产生方向相反的电流，则通过这种传感器线圈的电流是交流电，选项B正确；因软铁芯的移动导致线圈中产生感应电流，则软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件，选项C正确；当物体1向右移动时，软铁芯插入线圈的深度减小，则线圈的自感系数减小，选项D错误．故选BC．]
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．]
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．]
2．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
3．(多选)如图所示是测试热敏电阻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，故选B、D．]
4．(多选)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．]
5．(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：
故C、D正确．]
?题组三　霍尔元件
6．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＝q得UH＝Bdv，由电流的微观定义式I＝nqSv(n是单位体积内的自由电荷数，q是单个自由电荷所带的电量，S是导体的横截面积，v是自由电荷运动的平均速率)整理得v＝，联立解得UH＝，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．]
7．春节期间，按照公安部统一部署，全国各大中城市进行了大规模集中整治酒驾行动．执法交警所使用的酒精测试仪主要元件是一种氧化物半导体传感器．这种具有N型导电性的氧化物的电阻会随其周围气体浓度的变化而变化．这种传感器的电阻与酒精气体的浓度c成反比，在如图所示的简化原理图中，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越小，但c与U不成反比
B．U越大，表示c越小，与U成反比
C．U越大，表示c越大，但c与U不成正比
D．U越大，表示c越大，c与U成正比
C　[由闭合电路欧姆定律可知，电路电流I＝，电压表示数U＝IR0＝，传感器的电阻R传感器与酒精气体的浓度c成反比，酒精浓度c越大，R传感器越小，电压表示数U越大，所以U越大，R传感器越小，c越大，但是c与U不是正比关系，故A、B、D错误，C正确．故选C．]
8．(多选)某种角速度测量计结构如图所示，当整体系统绕轴OO′转动时，元件A发生位移并通过滑动变阻器输出电压U，电压传感器(传感器内阻无限大)接收相应的电压信号．已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计．滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，系统静止时P在变阻器的最左端B点，当系统以角速度ω转动时，则(　　)
A．电路中电流随角速度的增大而增大
B．输出电压U随角速度的增大而增大
C．输出电压U与ω的函数式为U＝
D．弹簧的伸长量为x＝
BC　[当系统在水平面内以角速度ω转动时，无论角速度增大还是减小，BC的电阻不变，根据闭合电路欧姆定律得知，电路中电流保持不变，与角速度无关，故A错误；当角速度增大，弹簧的伸长量增大，则BP之间的分压变大，即输出电压U增大，故B正确；设系统在水平面内以角速度ω转动时，弹簧伸长的长度为x，则对元件A，根据牛顿第二定律得kx＝mω2(l＋x) ，则得x＝，又输出电压为U＝E，联立两式得U＝，故C正确，D错误．故选BC．]
9．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＝ Ω＝1 000 Ω．
(2)当电流计的示数I2＝1.8 mA时
R＝－Rg＝ 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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