5.1 常见传感器的工作原理-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修 第二册 （鲁科版2019）

第1节　常见传感器的工作原理 [学习目标]　1.知道什么是传感器及其工作原理(重点)。2.熟悉常见的敏感元件在生活生产中的应用(重难点)。 一、初识传感器 1．传感器 能感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是电信号)的器件或装置，我们称之为传感器。 2．传感器的工作原理 传感器主要由敏感元件和转换元件组成(如图)。敏感元件直接感受被测的量，并输出与被测的量有确定关系的信号。转换元件将敏感元件输出的物理信号转换为便于显示、记录、处理和控制的电信号。 3．传感器的作用 传感器通常应用于自动测量和自动控制系统，担负着信息采集和转化的任务，同时将不便于仪表显示和用于自动控制的非电学量(如压力、位移、流量、温度、浓度等)转化为便于仪表显示和用于自动控制的电学量(如电压、电流、电阻等)。 例1　(多选)关于传感器，下列说法正确的是(　　) A．麦克风工作时，将感受到的声音信号转化成电信号 B．电子秤工作时，将感受到的压力信号转化为电信号 C．烟雾传感器工作时，将感受到的烟雾浓度信号转化为电信号，实现自动报警 D．声控灯工作时，将感受到的声音信号转化为电能给灯泡供电 答案　ABC 解析　麦克风工作时将声音信号转化为电信号，电子秤工作时将受到的物体的压力大小的信号转化为电信号，烟雾传感器工作时将感受到的环境中的烟雾浓度信号转化为电信号，实现自动报警，选项A、B、C正确；声控灯工作时利用声控开关控制电路的通断，将声音信号转化为电信号，并不是给灯泡供电，选项D错误。 例2　(2022·龙岩市期中)人类发射的绕地球运转的航天器，所需要的电能主要由太阳能电池板把太阳能转化为电能得到，因此要求太阳能电池板总是对准太阳，为达到这一要求应利用下列哪种传感器来感知太阳的方位(　　) A．温度传感器 B．力传感器 C．生物传感器 D．光传感器 答案　D 解析　感知太阳的方位需要使用光传感器，故选D。 二、敏感元件 1．光敏元件 (1)光敏电阻是一种典型的光敏元件，广泛应用于光敏传感器中。 (2)光敏电阻是用金属硫化物等半导体材料制成的。当光照射到这些半导体物质上时，会激发半导体内部受束缚的电子，其电阻值就会发生改变。光照越强，被激发的电子数就越多，电阻值就越小。 2．热敏元件 (1)热敏电阻是一种常用的热敏元件，广泛应用于温度传感器中。 (2)NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，因此又称为负温度系数热敏电阻。还有一种PTC热敏电阻，它的阻值随温度的升高而增大，称为正温度系数热敏电阻。热敏电阻是一种灵敏度极高的温度传感器，在测温过程中响应非常快。利用热敏电阻制成的电子体温计，能很快测出体温；家用电器(如电脑、空调、电冰箱等)的温度传感器使用的也主要是热敏电阻。热敏电阻是利用半导体的电阻会随温度的变化而改变的特性制成的。 3．磁敏元件 (1)霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件，广泛应用于磁传感器中。 (2)一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两个是霍尔元件的电流I的输入、输出端，另两个是霍尔电压的输出端。在其垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，将在垂直于电流和磁场的方向上产生电势差为UH的霍尔电压(如图)。这几个物理量的关系为UH＝k。式中，d为霍尔元件厚度，k为与材料有关的霍尔系数。对于一个给定的霍尔元件，当电流I固定时，UH完全取决于磁感应强度B。 1.某兴趣小组为了研究电子温控装置，将热敏电阻R1(负温度系数)、定值电阻R2以及电压表和电流表连入如图所示的电路中。热敏电阻R1的阻值随温度的升高而减小。 (1)闭合开关S后，温度升高时，电流表的示数如何变化？ (2)闭合开关S后，温度降低时，电压表的示数如何变化？ 答案　(1)温度升高时，热敏电阻的阻值变小，电路中的电流变大，所以电流表的示数变大。 (2)温度降低，热敏电阻的阻值变大，电路中的电流变小，R2两端的电压变小，电压表的示数变小。 2.如图所示，设MN方向长度为l2，薄片厚度为d，求其稳定电压UH。 答案　当定向运动的自由电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，有q＝qvB。根据电流的微观解释有I＝nqSv，整理后得UH＝。 令k＝，则UH＝k。 例3　(2023·天津高二期末)如图所示是一火灾报警器的电路示意图，其中R2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R2所在处出现火情时，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变大 B．I变大，U变小 C．I变小，U变大 D．I变小，U变小 答案　D 解析　当传感器R2所在处出现火情时，R2阻值变小，R2与R3的并联总电阻减小，外电路的总电阻R减小，由闭合电路欧姆定律可知电路的总电流增大，电源的内电压变大，由U＝E－I总r可知路端电压减小，即报警器两端电压U减小，电路中并联部分的电压U并＝E－I总(R1＋r)，由于I总变大，则可知U并变小，则根据部分电路的欧姆定律可知通过显示器的电流I变小。故选D。 例4　(2022·洛阳市期中)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。如图是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度B方向垂直于霍尔元件的工作面向下，通入图示方向的电流I，C、D两侧面会形成电势差，则下列说法中正确的是(　　) A．电势差仅与材料有关 B．若霍尔元件的载流子是自由电子，则电势差UCD<0 C．仅增大磁感应强度时，电势差变小 D．在测定地球赤道上方的地磁场的磁感应强度时，元件的工作面应保持水平 答案　B 解析　电势差UCD不仅与材料有关，还与磁感应强度大小，电流大小有关，A错误；若霍尔元件的载流子是自由电子，根据左手定则，电子受洛伦兹力向C端移动，因此电势差UCD<0，B正确；根据Eq＝Bqv，U＝Ed＝Bvd，可知仅增大磁感应强度时，UCD变大，C错误；在测定地球赤道上方的地磁场的磁感应强度时，元件的工作面应保持竖直，让磁感线穿过工作面，D错误。 例5　(多选)(2023·山西太原高二阶段练习)如图所示是某居民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之间电压增大 B．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压减小 C．当仅增大R2的阻值时，A、B之间的电压增大 D．当仅减小R2的阻值时，A、B之间的电压增大 答案　BC 解析　R1是光敏电阻，有光照射时，阻值变小，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，选项A错误，B正确；由闭合电路欧姆定律得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，选项C正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，选项D错误。 课时对点练 考点一　初识传感器 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→电学量→转换元件 B．电学量→敏感元件→转换元件→非电学量 C．非电学量→敏感元件→转换元件→电学量 D．非电学量→转换元件→敏感元件→电学量 答案　C 解析　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，因此选项A、B、D错误，C正确。 2．一些不合格牛奶制品中被检测出化学原料三聚氰胺。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　检测三聚氰胺的方法为酶标法，所以其原理应该是利用了生物酶，故应为生物传感器，C正确。 3．(多选)传感器在日常生活中有着广泛的应用，它的种类多种多样，其性能也各不相同。以下有关传感器的说法正确的是(　　) A．办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开关，这是光传感器的应用 B．非触摸式自动水龙头(自动感应水龙头)应用的传感器是压力传感器 C．话筒应用的传感器是声音传感器 D．空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内实现这一功能的传感器是温度传感器 答案　ACD 解析　办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开关，是由于人体会发出红外线，当传感器探测出人体发出的红外线后，门会自动打开，是光传感器的应用，故A正确；非触摸式自动水龙头利用的传感器无需触摸，可知其传感器不是压力传感器，故B错误；话筒应用的传感器是声音传感器，故C正确；空调机在达到设定的温度后自动停止工作，利用的是温度传感器，故D正确。 考点二　敏感元件 4．(2023·黑龙江齐齐哈尔高二期末)某学校创建绿色校园，新装了一批节能灯，如图甲所示，该路灯通过光控开关实现自动控制；电灯的亮度可自动随周围环境亮度的改变而改变。图乙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，其电阻值减小)。现减小光照强度，则下列判断不正确的是(　　) A．电源的效率变大 B．A灯和B灯都变亮 C．R0两端电压变小 D．电源内部发热的功率不变 答案　D 解析　电源的效率为η＝×100%＝×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，其电阻值减小，现减小光照强度，其电阻值增大，总电流减小，路端电压增大，通过A灯的电流增大，A灯变亮，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、C正确；减小光照强度，外电阻增大，总电流减小，根据Pr＝I2r知，电源内部发热的功率减小，故D错误。 5.(多选)(2022·大庆中学月考)如图所示的温控电路中，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高，阻值越小)，C为电容器，电源内阻不可忽略。当环境温度降低时，下列说法正确的是(　　) A．半导体热敏电阻R2的阻值变大 B．电压表的读数增大 C．电容器C的带电荷量增大 D．R1消耗的功率变大 答案　ABC 解析　根据题意可知R2为热敏电阻，温度越低，阻值越大，故A正确；当环境温度降低时R2阻值增大，外电路总电阻增大，根据闭合电路欧姆定律分析得知，干路电流I减小，路端电压U＝E－Ir，E、r不变，则U增大，电压表的读数增大，电容器两端的电压UC＝E－I(r＋R1)，E、r、R1均不变，I减小，UC增大，电容器C的带电荷量增大，故B、C正确；R1消耗的功率P＝I2R1，I减小，R1不变，则P减小，故D错误。 6.(2022·重庆市育才中学期中)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　霍尔元件是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＝q得U＝Bdv，又I＝nqSv，联立解得U＝，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。 7．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N－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N′－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。 8.(多选)如图所示的电路中，电源电动势为E，内阻为r，RT为负温度系数热敏电阻，RG为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境条件改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，则引起小灯泡变暗的原因可能是(　　) A．温度不变，光照增强 B．温度升高，光照不变 C．温度降低，光照增强 D．温度升高，光照减弱 答案　AC 解析　由题图可知，当光敏电阻阻值减小或负温度系数热敏电阻阻值增大时，小灯泡L都会变暗，故光照增强或温度降低均可使小灯泡变暗，A项正确，B、D项错误；若光敏电阻阻值减小的同时，热敏电阻的阻值增大，小灯泡L会变得更暗，即光照增强的同时温度降低可以引起小灯泡变暗，C项正确。 9．(多选)如图甲所示，M是一个小型理想变压器，原、副线圈匝数之比n1∶n2＝10∶1，接线柱a、b接一正弦交变电源，电压如图乙所示。变压器右侧部分为一火警系统原理图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器(电阻值随温度升高而减小)，R1为一定值电阻。下列说法中正确的是(　　) A．电压表V1示数为22 V B．输入电压瞬时值表达式为u＝220sin 100πt V C．当R2所在处出现火警时，电流表A的示数变小 D．当R2所在处出现火警时，电压表V2的示数变大 答案　AB 解析　由题图乙可知，输入的电压有效值为220 V，变压器的电压比等于匝数比，由此可得副线圈的电压为U2＝U1＝×220 V＝22 V，所以电压表V1示数为22 V，故A正确；由题图乙可知，周期为0.02 s，ω＝＝ rad/s＝100π rad/s，所以输入电压瞬时值表达式为u＝220sin 100πt V，故B正确；当出现火警时，温度升高，R2电阻值减小，副线圈的电流变大，所以原线圈电流即电流表A示数增大，R1两端的电压增大，由于副线圈的总电压不变，所以R2两端的电压即电压表V2示数减小，故C、D错误。 10.有一种测量物体重力的电子秤，其电路原理如图中的虚线部分所示，主要由三部分构成：踏板、压力传感器R(实际上是一个阻值可随压力变化的变阻器)、显示物体重力的仪表G(实际上是电流表)。不计踏板的质量，已知电流表的量程为0～2 A，内阻为Rg＝1 Ω，电源电动势为E＝12 V，内阻为r＝1 Ω，电阻R随物体重力G变化的数学关系式为R＝30－0.01G(G和R的单位分别为N和Ω)。下列说法正确的是(　　) A．该秤能测量的最大物重是3 000 N B．该秤的零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘的0.375 A处 C．该秤显示重力的刻度是均匀标注的 D．该秤显示的重力G与通过电路中的电流I满足数学关系式G＝3 200＋ 答案　B 解析　由电阻R随物体重力G变化的数学关系式R＝30－0.01G可知，物体重力越大，电阻越小，电路中的电流越大，当电流表的示数为2 A时，电阻R＝(－1－1) Ω＝4 Ω，此时G＝ N＝2 600 N，故该秤能测量的最大物重是2 600 N，A错误；当物体重力为零时，压力传感器的电阻R＝30 Ω，电路中的电流I＝＝ A＝0.375 A，B正确；因E＝I(R＋r＋Rg)，R＝30－0.01G，所以G与I的数学关系式为G＝3 200－，可知该秤显示重力的刻度不是均匀标注的，C、D错误。 11．(2023·太原师范学院附属中学高二阶段练习)某实验小组为改装一电子秤，选用器材如下：电动势为3 V的电源(内阻不计)、量程为0～3 V的理想电压表、阻值为5 Ω的定值电阻R0、阻值随长度均匀变化的电阻丝R(长度为0.05 m，总阻值为25 Ω)、轻弹簧(电阻不计)、托盘、开关、导线等，实验原理如图甲所示；电阻丝的滑动端与轻弹簧上端相连，当托盘中没有放重物时，滑动触头恰好指在电阻丝的最上端，此时电压表示数为零，g取10 m/s2。 (1)图甲中，定值电阻R0的主要作用是______________________________； (2)弹簧所受弹力F与其形变量ΔL的关系如图乙所示，该弹簧的劲度系数为________ N/m；若按图甲进行实验，则电压表示数U与被测重物质量m成________(选填“正比”或“反比”)关系； (3)某同学利用相同的器材提出另一实验方案，如图丙所示，若按此方案进行实验，则U与被测重物质量m的关系式为______________(用m表示)； (4)对比甲与丙两种方案，你觉得哪个方案更优，并说出你的理由：_______________________ _______________________________________________________________________________。 答案　(1)防止出现短路，保护电源　(2)10 000　正比　(3)U＝　(4)甲方案更优，因为电压表示数与重物质量成正比关系，电子秤的刻度可以在电压表上均匀标示出来 解析　(1)定值电阻R0的主要作用是：防止电路出现短路，避免电路中电流过大，烧坏电源，从而起到保护电源的作用； (2)由图像可得，弹簧的劲度系数，即 k＝＝10 000 N/m 对于题图甲，设电阻丝的总长度为L，当托盘中放入质量为m的重物时，此时有F＝kΔL＝mg， 则ΔL＝ 则电压表的示数为U＝·R＝·＝m＝m 故电压表示数U与被测重物质量m成正比关系； (3)若按题图丙方案进行实验，则电压表示数U与被测重物质量m的关系式为 U＝·Rx Rx＝R＝m 联立可得U＝ (4)对比甲与丙两种方案，显然甲方案更优，因为甲方案中电压表示数与重物质量成正比关系，电子秤的刻度可以在电压表上均匀标示出来。 学科网（北京）股份有限公司 $$