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DIWUZHANG
第五章
1　認識傳感器
2　常見傳感器的工作原理及應用
1.知道什么是傳感器，了解傳感器的種類(重點)。
2.知道傳感器的組成與應用模式。
3.知道光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻、電阻應變片、電容式傳感器的工作原理及應用(難點)。
學習目標
一、傳感器及其工作原理
二、光敏電阻
三、金屬熱電阻和熱敏電阻
四、電阻應變片
內(nèi)容索引
課時對點練
五、電容式傳感器
傳感器及其工作原理
一
如圖甲所示，玻璃管內(nèi)封入了兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙電路，當條形磁體靠近干簧管時：
(1)會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？
答案　燈泡會亮，因為當條形磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通。
(2)干簧管的作用是什么？
答案　干簧管起到開關的作用，是一種能夠感知磁場的傳感器。
1.傳感器
(1)定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉換為便于傳送和處理的 　　 　　(通常是_______、電流等電學量)輸出，或轉換為電路的 的器件或裝置。
(2)功能：把　　　　量轉化為　　　量，可以方便地進行測量、傳輸、處理和　　　。
梳理與總結
可用信號
電壓
通斷
非電學
電學
控制
2.傳感器的種類、組成與應用模式
(1)分類：按傳感器的工作原理的不同，把傳感器分為　　　傳感器、______傳感器和 傳感器。
(2)組成：傳感器主要由 　　　　 、轉換元件組成。
①敏感元件：能直接感受或響應外界被測非電學量的部分。相當于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，是利用材料的某種敏感效應(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。
②轉換元件：能將敏感元件輸出的信號直接轉換成電信號的部分。
物理
化學
生物
敏感元件
(3)應用模式：
　關于傳感器，下列說法正確的是
A.所有傳感器都是由半導體材料制成的
B.金屬材料也可以制成傳感器
C.傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的
D.水銀溫度計是一種傳感器
例1
√
傳感器材料分為半導體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料等，A錯誤，B正確；
傳感器是通過把非電學量轉換成電學量來傳遞信號的，C錯誤；
水銀溫度計根據(jù)熱脹冷縮來測量溫度，不是傳感器，D錯誤。
　 (2024·高郵市高二月考)洗衣機能根據(jù)洗衣量來控制桶內(nèi)的水量，你認為洗衣機是用什么傳感器檢測水量的
A.壓力傳感器 B.光線傳感器
C.聲音傳感器 D.溫度傳感器
例2
√
洗衣機能根據(jù)洗衣量來控制桶內(nèi)的水量，即根據(jù)所洗衣服的重力，當放入衣物進入洗衣機而洗衣機未工作時，衣物受重力與洗衣機對衣物的支持力，衣物處于平衡狀態(tài)，根據(jù)牛頓第三定律可知，洗衣機對衣物的支持力大小等于衣物對洗衣機的壓力，由此可知衣物對洗衣機壓力的大小等于衣物重力的大小，因此洗衣機通過壓力傳感器來判斷所洗衣物的重量，從而控制桶內(nèi)的水量。故選A。
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光敏電阻
二
1.特點：在被光照射時　　　發(fā)生變化，阻值隨光照強度的增強而明顯______。
2.阻值發(fā)生變化的原因：光敏電阻的構成物質(zhì)為半導體材料，無光照時，載流子　　　，導電性能　　；隨著光照的增強，載流子　　　，導電性　　　。
3.作用：把　　　　　這個光學量轉換為　　　這個電學量。
電阻
減小
極少
差
增多
變好
光照強弱
電阻
4.應用實例：在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計數(shù)器后，就可以準確得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻。當光被產(chǎn)品擋住時，R1電阻 　　　(填“增大”“減小”或“不變”)，電路中電流減小，R2兩端電壓 　　 (填“增大”“減小”或“不變”)，信號處理系統(tǒng)得到 (填“高”或“低”)電壓，每通過一個產(chǎn)品就獲得一次 　　(填“高”或“低”)電壓，并計數(shù)一次。
增大
減小
低
低
　 (多選)(2024·溫州市高二期中)為了助力未來鄉(xiāng)村建設，小明設計了如圖所示的農(nóng)村光控路燈電路，以實現(xiàn)自動亮度控制。圖中A、B為相同燈泡，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，Rt為光敏電阻，其阻值隨光照強度增加而減小。下列判斷正確的是
A.外界光照強度增加時，電流表示數(shù)減小
B.外界光照強度增加時，通過R0的電流增加
C.外界光照強度增加時，A燈、B燈均變暗
D.該電路不可用于實際光控路燈中，因為外界光照強度增加時，電源消
　耗功率增大
例3
√
√
√
外界光照強度增加時，光敏電阻阻值減小，電路中的總電阻減小，由I總=，可知電路中總電流增大，電流表示數(shù)增大，故A錯誤；
電路中總電流增大，由U內(nèi)=Ir，可知電源內(nèi)電壓增大，由E=U內(nèi)+U外，可知路端電壓減小，所以燈泡A中的電流IA減小，由I總=IA+，可知外界光照強度增加時，通過R0的電流增加，故B正確；
外界光照強度增加時，燈泡A中的電流IA減小，A燈變暗；由于通過R0的電流增加，所以R0兩端的電壓增大，又外電壓減小，因此B燈兩端的電壓減小，所以B燈變暗，故C正確；
外界光照強度增加時，電路中總電流增大，電源消耗功率P內(nèi)=I2r增大，所以該電路不可用于實際光控路燈中，故D正確。
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金屬熱電阻和熱敏電阻
三
1.金屬熱電阻：金屬絲制作的溫度傳感器。金屬的電阻率隨溫度的升高而　　　，如圖中圖線①所示。
2.熱敏電阻
(1)熱敏電阻指用半導體材料制成的電阻值隨溫度變化發(fā)
生明顯變化的電阻。如圖中圖線②所示為某熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。
(2)熱敏電阻分正溫度系數(shù)熱敏電阻和負溫度系數(shù)熱敏電阻兩類，電阻值隨溫度升高而增大的是正溫度系數(shù)熱敏電阻；電阻值隨溫度升高而_____的是負溫度系數(shù)熱敏電阻。常用的是負溫度系數(shù)熱敏電阻。
減小
增大
3.作用：金屬熱電阻和熱敏電阻都能夠把 　　這個熱學量轉換成_____這個電學量。
說明：與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。
溫度
電阻
思考與討論
將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，再將多用電表的兩支表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT(溫度升高時電阻減小)的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用電表指針將如何偏轉？若用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，多用電表指針將如何偏轉？
答案　由于酒精揮發(fā)，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，多用電表指針將向左偏；用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，多用電表指針將向右偏。
　 (2023·欽州市高二期中)金屬鉑的電阻值對溫度的變化非常“敏感”，所以可以利用鉑的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)制成鉑電阻溫度傳感器，如圖所示的I-U圖像中能表示金屬鉑的電阻值變化情況的是
例4
√
根據(jù)電阻的定義式R=，可知，I-U圖線上的點與坐標原點連線的斜率表示電阻值的倒數(shù)，金屬鉑的電阻值隨溫度的升高而增大，則I-U圖線上的點與坐標原點連線的斜率隨著電壓增大逐漸減小，故選C。
　 (2024·東北師范大學附中高二月考)某同學設計的散熱排風控制電路如圖所示，M為排風扇，R0是半導體熱敏電阻，其阻值隨溫度升高而減小，R是可變電阻。控制開關電路具有下列特性：當電壓表示數(shù)小于某一數(shù)值U時，控制開關處于斷路狀態(tài)；當電壓表示數(shù)大于U時，控制開關接通電路，M開始運轉。電路兩端的電壓U0恒定，下列說法中正確的是
A.環(huán)境溫度升高時，電壓表示數(shù)變小
B.可變電阻R阻值調(diào)大時，電壓表示數(shù)變大
C.可變電阻R阻值調(diào)小時，排風扇開始工作
　的臨界溫度降低
D.若用金屬熱電阻代替半導體熱敏電阻，電路仍能正常工作
例5
√
當環(huán)境溫度升高時，半導體熱敏電阻R0阻值減小，則電路中的電流增大，可變電阻R兩端的電壓增大，電壓表示數(shù)變大，故A錯誤；
可變電阻R阻值調(diào)大時，可變電阻R的分壓變大，
則電壓表示數(shù)變大，故B正確；
可變電阻R阻值調(diào)小時，電壓表示數(shù)變小；需要升高臨界溫度減小熱敏電阻阻值，使電壓表示數(shù)大于U，控制開關接通電路，M開始運轉，排風扇開始工作，故C錯誤；
若用金屬熱電阻代替半導體熱敏電阻，當溫度升高時，其阻值增大，導致電壓表示數(shù)變小，則開關會處于斷開狀態(tài)，起不到散熱排風的作用，故D錯誤。
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電阻應變片
四
1.金屬的電阻應變效應：金屬導體在外力作用下發(fā)生機械形變(伸長或縮短)時，其電阻也隨著它所受機械形變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。
2.電阻應變片：除金屬電阻應變片外，電阻應變片還有_______________
______，它的工作原理是基于半導體材料的　　　　　。
3.電阻應變片能夠把物體形變這個力學量轉換為　　　這個電學量。
半導體電阻應
變片
壓阻效應
電阻
“小”)，下表面應變片兩端的電壓變 (填“大”或“小”)。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。力F越大，輸出的電壓差值也就越___ (填“大”或“小”)。
4.應用實例：如圖所示是一個應變式力傳感器，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各貼一個應變片。在梁的自由端施加力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變____
(填“大”或“小”)，下表面應變片的電阻變 (填“大”或“小”)。力F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大。如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應變片兩端的電壓變 (填“大”或
大
小
大
小
大
　壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學設計了利用壓敏電阻判斷豎直升降機運動狀態(tài)的裝置，其工作原理圖如圖甲所示，將壓敏電阻固定在升降機底板上，其上放置一個物塊，在升降機運動的過程中，電流表示數(shù)如圖乙所示，已知升降機靜止時電流表的示數(shù)為I1。下列判斷正確的是
A.0到t1時間內(nèi)，升降機一定靜止
B.t1到t2時間內(nèi)，升降機可能做勻加速直線運動
C.t1到t2時間內(nèi)，升降機運動時的加速度在變化
D.t2到t3時間內(nèi)，升降機可能向下勻速運動
例6
√
從0~t1時間內(nèi)，電流不變，根據(jù)閉合電路的歐姆定律可知電路中的總阻值不變，升降機可能靜止也可能勻速運動，故A錯誤；
t1~t2時間內(nèi)，電流增大，則電阻減小，因為壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，所以壓力增大，由牛頓第三定律得物塊受到的支持力逐漸增大，根據(jù)牛頓第二定律有FN-mg=ma，合力向上，加速度向上且逐漸增大，故B錯誤，C正確；
t2~t3時間內(nèi)電流不變，電阻不變，壓力不變，電流大于靜止時的電流，壓力大于靜止時的壓力，物塊受重力和支持力，根據(jù)牛頓第二定律有FN'-mg=ma'，合力
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向上，加速度向上且大小不變，所以t2~t3時間內(nèi)升降機勻加速上升或勻減速下降，故D錯誤。
電容式傳感器
五
電容式傳感器：電容器的電容C取決于極板的正對面積S、極板間距d以及極板間的電介質(zhì)這三個因素。如果某個物理量的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，通過測定電容器的電容就可以確定這個物理量的變化，那么這種電容器就被稱為電容式傳感器。
如圖是電容式話筒的原理圖，話筒的振動膜片上涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個固定金屬片，它們構成電容器的兩個極板。電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離關系來工作，試分析它的工作原理。
思考與討論
答案　電容式話筒利用振動膜片接收空氣振動信號，振動膜片與固定電極之間形成一個電容，兩者之間的距離變化會導致其電容的變化。在電容器兩端施加恒定的電壓，通過電容器的電流就會變化。將這個電流信號進行轉換，即可輸出音頻信號。
　電容器是一種常用的電學元件，在電工、電子技術中有著廣泛的應用。以下有關電容式傳感器在生活中的應用說法正確的是
A.甲圖中，手指作為電容器一個電
　極，如果改用絕緣筆在電容式觸
　摸屏上仍能正常操作
B.乙圖中，力F增大過程中，電流計
　中的電流從a流向b
C.丙圖中，油箱液位上升時，電容變小
D.丁圖中，當傳感器由靜止突然向左加
　速，電容器處于充電狀態(tài)
例7
√
題圖甲中，絕緣筆不能作為電容器的一個電極，所以不能在電容式觸摸屏上進行觸控操作，故A錯誤；
題圖乙中，力F增大過程中，電容器極板間距減小，電容變大，電容器充電，電流計中的電流從b流向a，故B錯誤；
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題圖丙中，油箱液位上升時，相當于電介質(zhì)的介電常數(shù)變大，電容變大，故C錯誤；
題圖丁中，當傳感器由靜止突然向左加速，電介質(zhì)插入電容器的部分變長，電容變大，電容器處于充電狀態(tài)，故D正確。
課時對點練
六
考點一　傳感器及其工作原理
1.(2024·保定市高三期末)電梯是高層住宅用戶必不可少的日常工具，但有些小朋友不懂事，總做出一些危險行為。某小朋友在電梯門口放了一障礙物，發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關，這是電梯門上安裝了傳感器的結果，他以此為樂，殊不知這種行為有一定的危險性。下列說法中正確的是
A.電梯門上安裝了溫度傳感器
B.電梯門上安裝了光傳感器
C.電梯門上的傳感器將溫度信號轉變?yōu)殡娦盘?br/>D.電梯門上的傳感器將電信號轉化為光信號
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基礎對點練
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電梯能夠識別障礙物，并不斷開關電梯門，是因為電梯門安裝了光傳感器，這個傳感器能夠?qū)⒐庑盘栟D變?yōu)殡娦盘枺蔅正確，A、C、D錯誤。
2.現(xiàn)代生活離不開智能手機，手機有很多功能需要傳感器來實現(xiàn)。例如當人將手機靠近耳朵接聽電話時，手機會自動關閉屏幕從而達到防誤觸的目的，實現(xiàn)這一功能可能用到的傳感器為
A.光傳感器和距離傳感器
B.磁傳感器和溫度傳感器
C.磁傳感器和聲傳感器
D.壓力傳感器和加速度傳感器
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當人將手機靠近耳朵接聽電話時，改變了手機與耳朵之間的距離，并且耳朵會擋住光線，所以可能用到的傳感器為光傳感器和距離傳感器，A正確，B、C、D錯誤。
考點二　常見傳感器及其應用
3.對于常見的可燃氣體濃度的檢測，現(xiàn)在一般用催化燃燒檢測器。它的原理如下：傳感器的核心為一惠斯通電橋，其中一橋臂上有催化劑，當與可燃氣體接觸時，可燃氣體在有催化劑的電橋上燃燒，該橋臂的電阻發(fā)生明顯變化，其余橋臂的電阻不發(fā)生變化，從而引起整個電路的輸出發(fā)生變化，而該變化與可燃氣體的濃度成比例，從而實現(xiàn)對可燃氣體的檢測。由此可推斷有催化劑的橋臂上的電阻材料為
A.銅 B.合金
C.半導體 D.絕緣體
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由題意可知，該電阻為熱敏電阻，熱敏電阻由半導體材料制成，故C正確，A、B、D錯誤。
4.位移傳感器的工作原理如圖所示，物體M在導軌上平移時，帶動滑動變阻器的金屬滑片P移動，通過電壓表顯示的數(shù)據(jù)來反映物體M位移的大小x。假設電壓表是理想電表，物體M不動時，滑片P位于滑動變阻器正中間位置，則下列說法正確的是
A.物體M運動時，電源內(nèi)的電流會發(fā)生變化
B.物體M運動時，電壓表的示數(shù)會發(fā)生變化
C.物體M不動時，電路中沒有電流
D.物體M不動時，電壓表沒有示數(shù)
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電壓表為理想電表，則電壓表不分流，故滑片P移動時不會改變電路的電阻，也就不會改變電路中的電流，且電路中始終有電流，故A、C錯誤；
電壓表測的是滑片P左側電阻分得的電壓，故示數(shù)隨物體M的運動即滑片P的移動而變化，物體M不動時，電壓表仍有讀數(shù)，故B正確，D錯誤。
5.(多選)如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻(光照強度增大時電阻減小)，當入射光強度增大時
A.電壓表的示數(shù)增大
B.R2中電流減小
C.小燈泡的功率增大
D.電路的路端電壓增大
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當入射光強度增大時，R3阻值減小，外電路總電阻減小，由閉合電路歐姆定律知，干路電流增大，則R1兩端電壓增大，電壓表的示數(shù)增大，同時電源內(nèi)電壓增大，故電路的路端電壓減小，A項正確，D項錯誤；
因路端電壓減小，且R1兩端電壓增大，故R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，B項正確；
因干路電流增大，且R2中電流減小，知流過小燈泡的電流必增大，故小燈泡的功率增大，C項正確。
6.(多選)(2024·云南師范大學附中高二月考)陶瓷作為一種古老而又重要的工藝品，其制作過程中的溫度掌控直接影響到陶瓷成品的質(zhì)量。如圖所示是制陶過程中一種監(jiān)控溫度的報警原理圖，R為滑動變阻器，用來調(diào)節(jié)電路報警溫度，調(diào)節(jié)完成后保持觸頭不動。R0為定值電阻，RT為熱敏電阻，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，當報警器兩端的電壓低于設定值時，報警器就會自動報警。針對此電路，下列說法正確的是
A. 報警器的作用是防止制陶過程中溫度過高
B.當制陶過程中溫度升高時，電源的輸出效率增加
C.當制陶過程中溫度降低時，定值電阻R0上消耗的功率減小
D.如果使報警溫度提高，需要將滑動變阻器R的觸頭向左滑動
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因為報警器兩端的電壓低于設定值時，報警器就會自動報警，即熱敏電阻的阻值低于某一阻值，即溫度高于某一溫度時，報警器會自動報警，故A正確；
當溫度升高時，外電阻減小，電源的輸出效率降低，故B錯誤；
當溫度降低時，熱敏電阻阻值增大，總電阻增大，干路電流減小，R兩端電壓減小，電源內(nèi)電壓減小，路端電壓增大，故并聯(lián)部分兩端的電壓增大，定值電阻R0上消耗的功率增加，故C錯誤；
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如果使報警溫度提高，需要在提高溫度后，報警器上的報警電壓與之前相等，熱敏電阻的阻值減小了，則回路的電流要增加，滑動變阻器的阻值要減小，所以滑動觸頭需要向左滑動，故D正確。
7.(多選)(2023·汕頭市高二月考)有款市面上流行的指針式恒溫“溫奶器”，如圖是其內(nèi)部調(diào)溫系統(tǒng)的工作示意圖，溫度的敏感元件是雙金屬片，在溫度升高時上層金屬的膨脹大于下層金屬，可造成雙金屬片的形變。則關于該裝置，下列說法正確的是
A.傳感器工作的一般流程：電信息→敏感元件
　→處理電路→非電信息
B.電源剛接通時上下觸點是接觸的
C.若要提高溫奶的溫度，則應使調(diào)溫旋鈕下移一些
D.若要提高溫奶的溫度，則應使調(diào)溫旋鈕上移一些
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傳感器工作的一般流程：非電信息→敏感元件→處理電路→電信息，故A錯誤；
電源剛接通時上下觸點是接觸的，電熱絲電路為通路，溫度升高到某值，由于上層金屬的膨脹大于下層金屬，觸點斷開，停止加熱，
故B正確；
若要提高溫奶的溫度，則應使調(diào)溫旋鈕下移一些，使彈性銅片和雙金屬片更近一些，溫度更高一些時，觸點才斷開，故C正確，D錯誤。
8.霍爾元件是一種磁傳感器，是實際生活中的重要元件之一。如圖所示水平放置長度一定的霍爾元件，在該元件中通有方向從E到F的恒定電流I，在空間加一豎直向下的勻強磁場，磁感應強度大小為B，霍爾元件中的載流子為負電荷。則下列說法正確的是
A.該元件能把電學量轉換為磁學量
B.左表面的電勢高于右表面
C.如果用該元件測赤道處的磁場，應保持元件上表
　面呈水平狀態(tài)
D.如果霍爾元件中的電流大小不變，則左、右表面的電勢差與磁場的磁感應
　強度成正比
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霍爾元件把磁學量轉換為電學量，A錯誤；
由于霍爾元件中的載流子為負電荷，則負電荷的運動方向由F到E，由左手定則可知負電荷向左表面偏轉，則右表面的電勢高，B錯誤；
如果用該元件測赤道處的磁場，由于地磁場與水平面平行，因此如果霍爾元件的上表面保持水平，則左、右表面間無電壓產(chǎn)生，C錯誤；
根據(jù)qvB=q得，U=Bdv，又I=nqSv，聯(lián)立解得U=，可知保持電流不變，則左、右表面的電勢差與磁感應強度成正比，D正確。
9.(多選)(2023·臺州市高二期末)圖甲是由導電的多晶硅制成的電容式加速度傳感器，圖乙是其原理圖。傳感器可以看成由兩個電容C1、C2組成，當傳感器沿著箭頭方向變速運動時，多晶硅懸臂梁的右側可發(fā)生彎曲形變，形變程度只與加速度大小相關，且加速度向上時，懸臂梁的右側向下彎曲。下列說法正確的是
A.傳感器靜止時，用外力下壓懸臂梁右側，
　C1增大，C2減小
B.傳感器保持勻速向上運動，C1與C2均不變
C.傳感器由靜止突然加速向上運動，C1減小，C2增大
D.傳感器向下做勻減速運動，C1不斷減小，C2不斷增大
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傳感器靜止時，用外力下壓懸臂梁右側，多晶硅懸臂梁與頂層多晶硅距離變大、與底層多晶硅距離變小，由C=可知，C1減小，C2增大，故A錯誤；
傳感器保持勻速向上運動，多晶硅懸臂梁相對于頂層多晶硅和底層多晶硅位置不變，C1與C2均不變，故B正確；
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傳感器由靜止突然加速向上運動，多晶硅懸臂梁的右側發(fā)生彎曲形變，多晶硅懸臂梁與頂層多晶硅距離變大、與底層多晶硅距離變小，由C=可知，C1減小，C2增大，故C正確；
傳感器向下做勻減速運動，加速度向上且大小恒定，多晶硅懸臂梁的右側向下彎曲形變且形變量不變，多晶硅懸臂梁與頂層多晶硅、底層多晶硅的距離均不變，由C=可知，C1、C2大小不再變化，故D錯誤。
10.(2023·江門市第二中學高二期中)如圖甲所示，條形碼掃描筆的原理是掃描筆頭在條形碼上勻速移動時，遇到黑色線條，發(fā)光二極管發(fā)出的光線將被吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗；遇到白色間隔，光線被反射到光敏三極管，三極管呈低阻抗。光敏三極管將條形碼變成一個個電脈沖信號，信號經(jīng)信號處理系統(tǒng)處理，即完成對條形碼信息的識別，等效電路圖如圖乙所示，其中R為光敏三極管的等效電阻，R0為定值電阻，
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下列判斷正確的是
A.當掃描筆頭在黑色線條上移動時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓
B.當掃描筆頭在白色間隔上移動時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓
C.掃描速度對信號處理系統(tǒng)接收到的電壓信號無影響
D.掃描筆頭外殼出現(xiàn)破損時仍然能正常工作
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信號處理系統(tǒng)獲得的電壓是R0兩端的電壓，當掃描筆頭在黑色線條上移動時，R相當于大電阻，根據(jù)閉
合電路歐姆定律，回路電流很小，
R0兩端的電壓很低，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓；當掃描筆頭在白色間隔上移動時，R相當于小電阻，回路電流較大，R0兩端的電壓較高，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓，A錯誤，B正確；
如果掃描速度發(fā)生變化，在信號處理系統(tǒng)中高低電壓的時間間隔就會發(fā)生變化，從而無法正確判斷黑、白條紋寬度，可能出現(xiàn)錯誤識別信息，C錯誤；
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掃描筆頭外殼出現(xiàn)破損時，外面的光就會進入光敏三極管，從而出現(xiàn)錯誤信息，導致不能正常工作，D錯誤。
11.(2022·北京卷)某同學利用壓力傳感器設計水庫水位預警系統(tǒng)。如圖所示，電路中的R1和R2，其中一個是定值電阻，另一個是壓力傳感器(可等效為可變電阻)。水位越高，對壓力傳感器的壓力越大，壓力傳感器的電阻值越小。當a、b兩端的電壓大于U1時，控制開關自動開啟低水位預警；當a、b兩端的電壓小于U2(U1、U2為定值)時，控制開關自動開啟高水位預警。下列說法正確的是
A.U1B.R2為壓力傳感器
C.若定值電阻的阻值越大，開啟高水位預警時的水位越低
D.若定值電阻的阻值越大，開啟低水位預警時的水位越高
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由題意可知水位越高，對壓力傳感器的壓力越大，壓力傳感器的電阻值越小。控制開關自動開啟低水位預警，此時水位較低，壓力傳感器的電阻值較大，由于a、b兩端此時的電壓大于U1，根據(jù)串聯(lián)電路電壓分布特點可知，R1為壓力傳感器，故高水位時壓力傳感器的電阻值變小，壓力傳感器R1兩端電壓變小，U1>U2，A、B錯誤；
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根據(jù)閉合電路歐姆定律可知，a、b兩端的電壓為U=R1=，若定值電阻的阻值越大，當開啟低水位預警a、b兩端的電壓大于U1時，壓力傳感器R1阻值越大，水位越低；當a、b兩端的電壓小于U2開啟高水位預警時，壓力傳感器R1阻值越大，水位越低，C正確，D錯誤。
12.(2024·昆明市高二期末)有一種測量人體重的電子秤，其原理圖如圖中的虛線框部分所示，它主要由三部分構成：踏板和壓力杠桿AOB、壓力傳感器
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尖子生選練
R(一個阻值可隨壓力大小而變化的電阻器)、顯示體重的儀表G(其實質(zhì)是電流表)，其中AO∶BO=1∶1。已知壓力傳感器的電阻與其所受壓力的關系如下表所示：
壓力F/N 0 50 100 150 200 250 300
電阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120
設踏板和杠桿組件的質(zhì)量不計，接通電源后，壓力傳感器兩端的電壓恒為4.5 V，則：
(1)利用表中數(shù)據(jù)歸納出電阻R隨壓力F變化的函數(shù)
關系式為　　　　　　　。
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壓力F/N 0 50 100 150 200 250 300
電阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120
R=300-F(Ω)
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根據(jù)表中所給數(shù)據(jù)可得電阻R隨壓力F變化的函數(shù)關系式為
R=300-F(Ω)
壓力F/N 0 50 100 150 200 250 300
電阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120
(2)該電子秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應標在電流表刻度盤　　 mA處。
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根據(jù)題意，電子秤空載時壓力傳感器感受到的壓力為0，由表可知，此時壓力傳感器的電阻
R=300 Ω
由閉合電路的歐姆定律可得電路中的電流為
I== A=15 mA
所以該電子秤零刻度線應標在電流表刻度盤的15 mA處。
壓力F/N 0 50 100 150 200 250 300
電阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120
(3)如果某人站在踏板上，電流表刻度盤示數(shù)為37.5 mA，這個人的體重是　　 kg(取g=10 m/s2)。
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當電流表刻度盤的示數(shù)為I'=37.5 mA
時，壓力傳感器的電阻R'== Ω=120 Ω
而由R=300-F(Ω)
可得F'=300 N
再由F'·AB=G·BO
由于AO∶BO=1∶1
則AB∶OB=2∶1
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解得G=600 N
根據(jù)G=mg
可得m=60 kg
(4)該秤的刻度(體重刻度)是否是均勻的　　　(填“是”或“不是”)。
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不是
根據(jù)壓力F與重力G之間的關系，即2F=G
可得R=300-G(Ω)
則根據(jù)閉合電路歐姆定律可得
I===
根據(jù)上式可知，該秤的刻度(體重刻度)不是均勻的。
返回1　認識傳感器
2　常見傳感器的工作原理及應用
[學習目標]　1.知道什么是傳感器，了解傳感器的種類(重點)。2.知道傳感器的組成與應用模式。3.知道光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻、電阻應變片、電容式傳感器的工作原理及應用(難點)。
一、傳感器及其工作原理
如圖甲所示，玻璃管內(nèi)封入了兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙電路，當條形磁體靠近干簧管時：
(1)會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？
(2)干簧管的作用是什么？
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1.傳感器
(1)定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉換為便于傳送和處理的　　　　　　(通常是　　　　、電流等電學量)輸出，或轉換為電路的　　　　的器件或裝置。
(2)功能：把　　　　　量轉化為　　　　量，可以方便地進行測量、傳輸、處理和　　　　。
2.傳感器的種類、組成與應用模式
(1)分類：按傳感器的工作原理的不同，把傳感器分為　　　　傳感器、　　　　傳感器和　　　　傳感器。
(2)組成：傳感器主要由　　　　　　　　、轉換元件組成。
①敏感元件：能直接感受或響應外界被測非電學量的部分。相當于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，是利用材料的某種敏感效應(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。
②轉換元件：能將敏感元件輸出的信號直接轉換成電信號的部分。
(3)應用模式：
例1　關于傳感器，下列說法正確的是 (　　)
A.所有傳感器都是由半導體材料制成的
B.金屬材料也可以制成傳感器
C.傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的
D.水銀溫度計是一種傳感器
例2　(2024·高郵市高二月考)洗衣機能根據(jù)洗衣量來控制桶內(nèi)的水量，你認為洗衣機是用什么傳感器檢測水量的 (　　)
A.壓力傳感器 B.光線傳感器
C.聲音傳感器 D.溫度傳感器
二、光敏電阻
1.特點：在被光照射時　　　　發(fā)生變化，阻值隨光照強度的增強而明顯　　　　。
2.阻值發(fā)生變化的原因：光敏電阻的構成物質(zhì)為半導體材料，無光照時，載流子　　　　，導電性能　　　　；隨著光照的增強，載流子　　　　，導電性　　　　。
3.作用：把　　　　　　　　這個光學量轉換為　　　　這個電學量。
4.應用實例：在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計數(shù)器后，就可以準確得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻。當光被產(chǎn)品擋住時，R1電阻　　　　(填“增大”“減小”或“不變”)，電路中電流減小，R2兩端電壓　　　　(填“增大”“減小”或“不變”)，信號處理系統(tǒng)得到　　　　(填“高”或“低”)電壓，每通過一個產(chǎn)品就獲得一次　　　　(填“高”或“低”)電壓，并計數(shù)一次。
例3　(多選)(2024·溫州市高二期中)為了助力未來鄉(xiāng)村建設，小明設計了如圖所示的農(nóng)村光控路燈電路，以實現(xiàn)自動亮度控制。圖中A、B為相同燈泡，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，Rt為光敏電阻，其阻值隨光照強度增加而減小。下列判斷正確的是 (　　)
A.外界光照強度增加時，電流表示數(shù)減小
B.外界光照強度增加時，通過R0的電流增加
C.外界光照強度增加時，A燈、B燈均變暗
D.該電路不可用于實際光控路燈中，因為外界光照強度增加時，電源消耗功率增大
三、金屬熱電阻和熱敏電阻
1.金屬熱電阻：金屬絲制作的溫度傳感器。金屬的電阻率隨溫度的升高而　　　，如圖中圖線①所示。
2.熱敏電阻
(1)熱敏電阻指用半導體材料制成的電阻值隨溫度變化發(fā)生明顯變化的電阻。如圖中圖線②所示為某熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。
(2)熱敏電阻分正溫度系數(shù)熱敏電阻和負溫度系數(shù)熱敏電阻兩類，電阻值隨溫度升高而增大的是正溫度系數(shù)熱敏電阻；電阻值隨溫度升高而　　　　的是負溫度系數(shù)熱敏電阻。常用的是負溫度系數(shù)熱敏電阻。
3.作用：金屬熱電阻和熱敏電阻都能夠把　　　　這個熱學量轉換成　　　　這個電學量。
說明：與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。
將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，再將多用電表的兩支表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT(溫度升高時電阻減小)的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用電表指針將如何偏轉？若用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，多用電表指針將如何偏轉？
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例4　(2023·欽州市高二期中)金屬鉑的電阻值對溫度的變化非常“敏感”，所以可以利用鉑的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)制成鉑電阻溫度傳感器，如圖所示的I-U圖像中能表示金屬鉑的電阻值變化情況的是 (　　)
例5　(2024·東北師范大學附中高二月考)某同學設計的散熱排風控制電路如圖所示，M為排風扇，R0是半導體熱敏電阻，其阻值隨溫度升高而減小，R是可變電阻。控制開關電路具有下列特性：當電壓表示數(shù)小于某一數(shù)值U時，控制開關處于斷路狀態(tài)；當電壓表示數(shù)大于U時，控制開關接通電路，M開始運轉。電路兩端的電壓U0恒定，下列說法中正確的是 (　　)
A.環(huán)境溫度升高時，電壓表示數(shù)變小
B.可變電阻R阻值調(diào)大時，電壓表示數(shù)變大
C.可變電阻R阻值調(diào)小時，排風扇開始工作的臨界溫度降低
D.若用金屬熱電阻代替半導體熱敏電阻，電路仍能正常工作
四、電阻應變片
1.金屬的電阻應變效應：金屬導體在外力作用下發(fā)生機械形變(伸長或縮短)時，其電阻也隨著它所受機械形變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。
2.電阻應變片：除金屬電阻應變片外，電阻應變片還有　　　　　　　　　　　　　，它的工作原理是基于半導體材料的　　　　　　　　。
3.電阻應變片能夠把物體形變這個力學量轉換為　　　　這個電學量。
4.應用實例：如圖所示是一個應變式力傳感器，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各貼一個應變片。在梁的自由端施加力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變　　　　(填“大”或“小”)，下表面應變片的電阻變　　　　(填“大”或“小”)。力F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大。如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應變片兩端的電壓變　　　　(填“大”或“小”)，下表面應變片兩端的電壓變　　　(填“大”或“小”)。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。力F越大，輸出的電壓差值也就越　　　　(填“大”或“小”)。
例6　壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學設計了利用壓敏電阻判斷豎直升降機運動狀態(tài)的裝置，其工作原理圖如圖甲所示，將壓敏電阻固定在升降機底板上，其上放置一個物塊，在升降機運動的過程中，電流表示數(shù)如圖乙所示，已知升降機靜止時電流表的示數(shù)為I1。下列判斷正確的是 (　　)
A.0到t1時間內(nèi)，升降機一定靜止
B.t1到t2時間內(nèi)，升降機可能做勻加速直線運動
C.t1到t2時間內(nèi)，升降機運動時的加速度在變化
D.t2到t3時間內(nèi)，升降機可能向下勻速運動
五、電容式傳感器
電容式傳感器：電容器的電容C取決于極板的正對面積S、極板間距d以及極板間的電介質(zhì)這三個因素。如果某個物理量的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，通過測定電容器的電容就可以確定這個物理量的變化，那么這種電容器就被稱為電容式傳感器。
如圖是電容式話筒的原理圖，話筒的振動膜片上涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個固定金屬片，它們構成電容器的兩個極板。電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離關系來工作，試分析它的工作原理。
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例7　電容器是一種常用的電學元件，在電工、電子技術中有著廣泛的應用。以下有關電容式傳感器在生活中的應用說法正確的是 (　　)
A.甲圖中，手指作為電容器一個電極，如果改用絕緣筆在電容式觸摸屏上仍能正常操作
B.乙圖中，力F增大過程中，電流計中的電流從a流向b
C.丙圖中，油箱液位上升時，電容變小
D.丁圖中，當傳感器由靜止突然向左加速，電容器處于充電狀態(tài)
答案精析
一、
(1)燈泡會亮，因為當條形磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通。
(2)干簧管起到開關的作用，是一種能夠感知磁場的傳感器。
梳理與總結
1.(1)可用信號　電壓　通斷
(2)非電學　電學　控制
2.(1)物理　化學　生物
(2)敏感元件
例1　B　[傳感器材料分為半導體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料等，A錯誤，B正確；傳感器是通過把非電學量轉換成電學量來傳遞信號的，C錯誤；水銀溫度計根據(jù)熱脹冷縮來測量溫度，不是傳感器，D錯誤。]
例2　A　[洗衣機能根據(jù)洗衣量來控制桶內(nèi)的水量，即根據(jù)所洗衣服的重力，當放入衣物進入洗衣機而洗衣機未工作時，衣物受重力與洗衣機對衣物的支持力，衣物處于平衡狀態(tài)，根據(jù)牛頓第三定律可知，洗衣機對衣物的支持力大小等于衣物對洗衣機的壓力，由此可知衣物對洗衣機壓力的大小等于衣物重力的大小，因此洗衣機通過壓力傳感器來判斷所洗衣物的重量，從而控制桶內(nèi)的水量。故選A。]
二、
1.電阻　減小
2.極少　差　增多　變好
3.光照強弱　電阻
4.增大　減小　低　低
例3　BCD　[外界光照強度增加時，光敏電阻阻值減小，電路中的總電阻減小，由I總=，可知電路中總電流增大，電流表示數(shù)增大，故A錯誤；電路中總電流增大，由U內(nèi)=Ir，可知電源內(nèi)電壓增大，由E=U內(nèi)+U外，可知路端電壓減小，所以燈泡A中的電流IA減小，由I總=IA+，可知外界光照強度增加時，通過R0的電流增加，故B正確；外界光照強度增加時，燈泡A中的電流IA減小，A燈變暗；由于通過R0的電流增加，所以R0兩端的電壓增大，又外電壓減小，因此B燈兩端的電壓減小，所以B燈變暗，故C正確；外界光照強度增加時，電路中總電流增大，電源消耗功率P內(nèi)=I2r增大，所以該電路不可用于實際光控路燈中，故D正確。]
三、
1.增大
2.(2)減小
3.溫度　電阻
思考與討論
由于酒精揮發(fā)，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，多用電表指針將向左偏；用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，多用電表指針將向右偏。
例4　C　[根據(jù)電阻的定義式R=，可知，I-U圖線上的點與坐標原點連線的斜率表示電阻值的倒數(shù)，金屬鉑的電阻值隨溫度的升高而增大，則I-U圖線上的點與坐標原點連線的斜率隨著電壓增大逐漸減小，故選C。]
例5　B　[當環(huán)境溫度升高時，半導體熱敏電阻R0阻值減小，則電路中的電流增大，可變電阻R兩端的電壓增大，電壓表示數(shù)變大，故A錯誤；可變電阻R阻值調(diào)大時，可變電阻R的分壓變大，則電壓表示數(shù)變大，故B正確；可變電阻R阻值調(diào)小時，電壓表示數(shù)變小；需要升高臨界溫度減小熱敏電阻阻值，使電壓表示數(shù)大于U，控制開關接通電路，M開始運轉，排風扇開始工作，故C錯誤；若用金屬熱電阻代替半導體熱敏電阻，當溫度升高時，其阻值增大，導致電壓表示數(shù)變小，則開關會處于斷開狀態(tài)，起不到散熱排風的作用，故D錯誤。]
四、
2.半導體電阻應變片　壓阻效應
3.電阻
4.大　小　大　小　大
五、
思考與討論
電容式話筒利用振動膜片接收空氣振動信號，振動膜片與固定電極之間形成一個電容，兩者之間的距離變化會導致其電容的變化。在電容器兩端施加恒定的電壓，通過電容器的電流就會變化。將這個電流信號進行轉換，即可輸出音頻信號。
例6　C　[從0~t1時間內(nèi)，電流不變，根據(jù)閉合電路的歐姆定律可知電路中的總阻值不變，升降機可能靜止也可能勻速運動，故A錯誤；t1~t2時間內(nèi)，電流增大，則電阻減小，因為壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，所以壓力增大，由牛頓第三定律得物塊受到的支持力逐漸增大，根據(jù)牛頓第二定律有FN-mg=ma，合力向上，加速度向上且逐漸增大，故B錯誤，C正確；t2~t3時間內(nèi)電流不變，電阻不變，壓力不變，電流大于靜止時的電流，壓力大于靜止時的壓力，物塊受重力和支持力，根據(jù)牛頓第二定律有FN'-mg=ma'，合力向上，加速度向上且大小不變，所以t2~t3時間內(nèi)升降機勻加速上升或勻減速下降，故D錯誤。]
例7　D　[題圖甲中，絕緣筆不能作為電容器的一個電極，所以不能在電容式觸摸屏上進行觸控操作，故A錯誤；題圖乙中，力F增大過程中，電容器極板間距減小，電容變大，電容器充電，電流計中的電流從b流向a，故B錯誤；題圖丙中，油箱液位上升時，相當于電介質(zhì)的介電常數(shù)變大，電容變大，故C錯誤；題圖丁中，當傳感器由靜止突然向左加速，電介質(zhì)插入電容器的部分變長，電容變大，電容器處于充電狀態(tài)，故D正確。]

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