傳感器及其應用1傳感器：有這樣一類元件，能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并把它們按照一定的規律轉化為電壓、電流等電學量，或轉化為電路的通斷。2光敏電阻：光敏電阻是把光照強弱這個光學量轉換為電阻這一電學量的元件。通常是由硫化鎘等半導體材料制成，其特點是光照變強，電阻變小。3金屬熱電阻和熱敏電阻：金屬熱電阻是由鉑、銅等金屬材料制成，其特點是溫度升高，電阻變大；熱敏電阻是由半導體材料制成，其特點是溫度升高，電阻變小。它們都能夠把溫度這個熱學量轉化為電阻這個電學量。4霍爾元件：通常是由半導體元件制成，其產生的霍爾電壓UHk。霍爾元件能把磁感應強度這一磁學量轉換為電壓這個電學量。5力傳感器：典型的應用是電子秤，其中的主要元件為應變片，它的作用是將物體形變這一力學量轉化為電壓這一電學量。6溫度傳感器：典型的應用是日光燈啟動器和電熨斗，其中的主要元件為雙金屬片。日光燈啟動器中的雙金屬片，其外層材料的熱膨脹系數小于內層材料的熱膨脹系數。電熨斗的工作原理(如圖)：雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數大于下層，常溫下，彈性銅片和雙金屬片觸點是接觸的，通電后，電熱絲發熱，當溫度升高到某一值時，雙金屬片上層的金屬受熱膨脹，形變量大于下層金屬，雙金屬片向下彎曲，使觸點分離，切斷電路；隨著溫度的降低，當降到某一溫度時，雙金屬片收縮恢復原狀，兩觸點又接觸，接通電路。調溫旋鈕下壓彈性銅片，可使觸點分離的溫度升高；上提彈性銅片，可降低觸點的分離溫度，從而實現了調溫控制。7感溫鐵氧體：也叫感溫磁體。常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引，當溫度上升到約103 時，就失去鐵磁性，不能被磁體吸引了。這個溫度在物理學中稱為該材料的“居里溫度”或“居里點”。8電飯鍋：結構圖如圖所示。其工作過程：開始煮飯時壓下開關按鈕，由于常溫下感溫鐵氧體具有磁性，永磁體將吸引感溫磁體，因此手松開后這個按鈕不會恢復到圖示位置，則觸點接觸，電路接通，這時電飯鍋處于加熱狀態。當水沸騰時，水的溫度保持沸點不變，故感溫磁體仍與永磁體相吸，繼續加熱。當飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫度上升，當溫度超過103 時，感溫磁鐵失去鐵磁性，由于彈簧的作用，按鈕開關將恢復到如圖所示的位置，切斷電源，從而停止加熱。9.光傳感器：光傳感器是將光信號轉化為電信號的裝置，實際應用有鼠標器和火災報警器等。煙霧式火災報警器是利用煙霧對光的散射來工作的。罩內裝有發光二極管、光電三極管和不透明的擋板。平時光電三極管收不到發光二極管發出的光，呈高電阻狀態。當煙霧進入罩內后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小，與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發出警報。突破點(一)熱敏電阻的特征熱敏電阻是用半導體材料制成的，一般分為正溫度系數熱敏電阻(簡稱PTC)和負溫度系數熱敏電阻(NTC)，區別在于正溫度系數熱敏電阻阻值隨溫度的升高而變大，負溫度系數熱敏電阻阻值隨溫度的升高而變小。高中重點掌握的是負溫度系數熱敏電阻，如果題目沒有特殊說明，一般認為是負溫度系數熱敏電阻。其電阻隨溫度變化的曲線如圖所示。題點全練1.如圖所示，將多用電表的選擇開關置于“歐姆”擋，再將電表的兩支表筆與負溫度系數的熱敏電阻的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中間。若往Rt上擦一些酒精，表針將向_(填“左”或“右”)轉動；若用吹風機向Rt吹熱風，表針將向_(填“左”或“右”)轉動。解析：熱敏電阻為負溫度系數的特性。若往上擦一些酒精，由于酒精蒸發吸熱，熱敏電阻溫度降低，電阻值增大，所以電流減少，指針應向左偏；用吹風機將熱風吹向電阻，電阻溫度升高，電阻值減小，電流增大，指針向右偏。答案：左右2(2019如東檢測)某溫控電路的原理如圖所示，RM是半導體熱敏電阻，R是滑動變阻器，某種儀器要求在15 27 的環境中工作，當環境溫度偏高或偏低時，控制器會自動啟動降溫或升溫設備。下列說法中正確的是()A環境溫度降低，RM的阻值減小B環境溫度升高，Uab變大C滑片P向下移動時，Uab變大D調節滑片P的位置能改變降溫和升溫設備啟動時的臨界溫度解析：選DRM是半導體熱敏電阻，環境溫度降低時，RM的阻值增大，故A錯誤；環境溫度升高時，RM的阻值減小，根據串聯電路中電壓與電阻成正比，可以知道Uab變小，故B錯誤；滑片P向下移動時，R增大，總電流減小，則Uab變小，故C錯誤；調節滑片P時，可改變Uab，從而改變升溫和降溫設備啟動時的臨界溫度，所以D選項是正確的。突破點(二)霍爾電壓UH的公式推導對高中階段而言，我們所涉及的載流子一般取自由電子分析。一個矩形半導體薄片，在其前、后、左、右分別引出一個電極，如圖所示。沿PQ方向通入電流，垂直于薄片加勻強磁場B，則在MN間會出現電壓。設薄片厚度為d，PQ方向長度為l，MN方向長度為a，薄片中的載流子受到磁場力發生偏轉，使M側電勢高于N側，造成半導體內部出現電場，帶電粒子同時受到靜電力作用。當磁場力與靜電力平衡時，MN間的電壓達到恒定。設材料單位體積的載流子數目為n，載流子的電荷量為e，可以列出IneSvneadv，qvBq，求解可得UH。取霍爾系數k，得UHk。對任一霍爾元件而言，k、d為定值，如果保持I恒定。UH與B成正比，只要求出UH，就可以得出B，這就是霍爾元件能把磁感應強度這一磁學量轉換成電學量的原因。題點全練1多選(2018揚州模擬)如圖所示，一絕緣容器內部為長方體空腔，容器內盛有NaCl的水溶液，容器上下端裝有鉑電極A和C，置于與容器表面垂直的勻強磁場中，開關K閉合前容器兩側P、Q兩管中液面等高，閉合開關后()AM處鈉離子濃度大于N處鈉離子濃度BM處氯離子濃度小于N處氯離子濃度CM處電勢高于N處電勢DP管中液面高于Q管中液面解析：選AD依據正離子的定向移動方向與電流方向相同，而負離子移動方向與電流方向相反，根據左手定則可知，正、負離子均向M處偏轉，因此電勢相等，故A正確，B、C錯誤；當開關閉合時，液體中有從A到C方向的電流，根據左手定則可知，液體將受到向M的安培力作用，在液面內部將產生壓強，因此P管中的液面將比Q管中的高，故D正確。2電動自行車是一種應用廣泛的交通工具，其速度控制是通過轉動右把手實現的，這種轉動把手稱為“霍爾轉把”，屬于傳感器非接觸控制。轉把內部有永久磁鐵和霍爾器件等，截面如圖甲。永久磁鐵的左右兩側分別為N、S極，開啟電源時，在霍爾器件的上下面之間加一定的電壓，形成電流，如圖乙。隨著轉把的轉動，其內部的永久磁鐵也跟著轉動，霍爾器件能輸出控制車速的霍爾電壓，已知霍爾電壓與車速關系如圖丙所示。以下關于“霍爾轉把”敘述正確的是()A為提高控制的靈敏度，可改變永久磁鐵的上、下端分別為N、S極B按圖甲順時針轉動電動車的右把手(手柄轉套)，車速將變慢C圖乙中從霍爾器件的前后面輸出控制車速的霍爾電壓D若霍爾器件的上下面之間所加電壓正負極性對調，將影響車速控制解析：選C由于在霍爾器件的上下面之間加一定的電壓，形成電流，當永久磁鐵的上下端分別為N、S極時，磁場與電子的移動方向平行，則電子不受洛倫茲力作用，那么霍爾器件不能輸出控制車速的電勢差，故A錯誤；當按題圖甲順時針轉動把手，導致霍爾器件周圍的磁場增強，那么霍爾器件輸出控制車速的電勢差增大，因此車速變快，故B錯誤；根據題意，結合題圖乙的示意圖，可知永久磁鐵的磁感線從霍爾器件左、右側面垂直穿過，因此從霍爾器件前后面輸出控制車速的電勢差，故C正確；當霍爾器件的上下面之間所加電壓正負極性對調，從霍爾器件輸出控制車速的電勢差正負號相反，但由題圖丙可知，不會影響車速控制，故D錯誤。突破點(三)電容式傳感器的分類電容式傳感器就是把非電學量轉化為電容這一電學量。由公式C可得電容式傳感器有三類：(1)變極距式；(2)變面積式；(3)變介質式。題點全練1多選傳感器是一種采集信息的重要器件，如圖所示是一測定壓力的電容式傳感器，當待測壓力F作用于可動膜片電極上時，可使膜片產生形變，引起電容的變化。將電容器、靈敏電流計和電源串接成閉合電路，那么()A當F向上壓膜片電極時，電容將減小B當F向上壓膜片電極時，電容將增大C若電流計有示數，則壓力F發生變化D若電流計有示數，則壓力F不發生變化解析：選BC當F向上壓膜片電極時，電容器兩極板間距離減小，由電容的決定式C得到，電容器的電容將增大，故A錯誤，B正確；當F變化時，電容變化，而極板間電壓不變，由QCU，可知帶電荷量Q發生變化，電容器將發生充、放電現象，回路中有電流，電流計有示數，反之，電流計有示數時，壓力F必發生變化。故C正確，D錯誤。2傳感器是自動控制設備中不可缺少的元件，已經滲透到宇宙開發、環境保護、交通運輸以及家庭生活等各種領域。如下圖所示為幾種電容式傳感器，其中通過改變電容器兩極板間距離而引起電容變化的是()解析：選C選項A是通過改變電介質，來改變電容器的電容，故A錯誤；選項B中電容器的一個極板是金屬芯線，另一個極板是導電液，故是通過改變電容器兩極間正對面積而引起電容變化的，故B錯誤；選項C是通過改變極板間的距離，改變電容器的電容，故C正確；選項D是通過轉動動片改變正對面積，改變電容器的電容，故D錯誤。突破點(四)應變片和雙金屬片的區別應變片多用半導體材料制成的，當外力越大時，彎曲形變越大，上下表面的阻值變化就越大，如果保證通過應變片的電流恒定，那么上下表面的電壓差就越大，傳感器輸出的就是電壓差。雙金屬片應用的是不同金屬的受熱膨脹系數不同，從而達到控制電路通斷的目的。題點全練1多選關于電子秤中應變式力傳感器，下列說法中正確的是()A應變片是由導體材料制成的B當應變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之電阻變小C傳感器輸出的是應變片上的電壓D外力越大，輸出的電壓差值也越大解析：選BD電子秤中的應變片是一種敏感元件，現在多用半導體材料制成，故A錯誤；當應變片的表面拉伸時，電阻變大，故B正確；如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上面應變片兩端的電壓變大，下面應變片兩端的電壓變小，傳感器把這兩個電壓的差值輸出，故C錯誤；力F越大，輸出的電壓差值也就越大，故D正確。2多選(2018南通模擬)如圖是某電子秤的原理圖，人只要站在踏板上，儀表G就能顯示人的體重，踏板下面的傳感器R實質是一個阻值可隨壓力大小而變化的電阻，顯示體重的儀表G實質是理想電流表，如果不計踏板的質量，電阻R隨人的體重G變化的函數關系式為RakG(a、k是常量，G和R的單位分別是N和)。下列說法正確的是()A傳感器R是一個力電傳感器B閉合