第5讲 实验：传感器的简单应用★考情直播 考纲内容能力要求 考向定位 传感器的简单使用 1． 能识别各类传感器2． 了解传感器的工作原理 理解各类传感器的工作原理并掌握各类传感器的简单应用是近年高考的新动向。
（一）、传感器的含义：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、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，或转换为电路的通断。
把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
传感器一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。
常见的传感器有：光学传感器、热学传感器、加速度传感器、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。
（二）、常见的传感器元件：（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。
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。
它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。
（2）金属热电阻金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器。
它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
（3）热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度升高电阻减小，如图－1为某一热敏电阻－温度特性曲线。
热敏电阻的灵敏度较好。
与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
（4）电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
（5）霍尔元件能够把磁感强度这个磁学量转换为电压这个电学量（三）、传感器的简单应用1、力电传感器力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。
力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS 防抱死制动系统等。
2、 热电传感器（温度传感器）热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的升高减小（金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大）的原理制成的, 它能用把温度这个热学量转换为电压这个电学量。
如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等。
3、光电传感器光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。
0 T R图－1 非电物理敏感元件 转换器件 转换电路 电学量 → → → →光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小的。
光敏电阻能够把光强度这个光学量转换为电阻这个电学量。
它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。
自动冲水机、路灯的控制、鼠标器、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。
4、磁电传感器——霍尔元件的应用霍尔元件能够把磁感强度(磁学量)转换为电压(电学量)。
霍尔元件：如图－2所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极C 、D 、E 、F ，就制成为一个霍尔元件。
霍尔电压：dIB k U H = 其中k 为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
一个霍尔元件的厚度d 、比例系数k 为定值，再保持I 恒定，则电压U H 的变化就与B 成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。
霍尔效应的原理：外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向的电场；横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压.设图中CD 方向长度为L 2，则：qvB L U q H =2根据电流的微观解释 I ＝nqSv ， 整理后，得：nqd IB U H = 令 nqk 1= ，因为n 为材料单位体积的带电粒子个数，q 为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以有：dIB k U H = 例题1. 如图6－1－3所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R 1为光敏电阻，R 2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是A ． 当有光照射R 1时，信号处理系统获得高电压B ．当有光照射R 1时，信号处理系统获得低电压 C ． 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D ． 信号处理系统每获得一次高电压就计数一次[解析] 当光照射到光敏电阻R 1上时，R 1电阻减小，电路中电流增大．R 2两端电压升高，信号处理系统得到高电压，计数器每由高电压转到低电压，就计一个数，从而达到自动计数目的，由以上分析选项A 、C 正确．[规律总结] 光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小． U H B C D E F I 图－2★高考重点热点题型探究传感器及电路知识的综合应用[例1]（2006·广东）热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。
现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。
已知常温下待测热敏电阻的阻值约4～5Ω。
热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其它备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶（图中未画出）、电源（3V、内阻可忽略）、直流电流表（内阻约1Ω）、直流电压表（内阻约5KΩ）、滑动变阻器（0～20Ω）、开关导线若干。
（1）在图8（a）的方框画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。
（2）根据电路图，在图8（b）的实物图上边线。
（3）简要写出完成接线后的主要实验步骤__________________________.[剖析] 因为要求伏安曲线尽可能完整，所以采用分压式电路，且该热敏电阻的阻值比较小，测量电路应接成外接法。
此题类同于2003年上海的高考实验题（见例2）。
[答案]（1）如答图1所示。
（2）如答图2所示。
（3）①往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出温度计值；②调节滑动变阻器，快速测出几组电流表和电压表的值；③重复①～②，测量不同温度下的数据；④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线。
[例2]（2008上海卷）19．（10分）如图所示是测量通电螺线管A 内部磁感应强度B 及其与电流I 关系的实验装置。
将截面积为S 、匝数为N 的小试测线圈P 置于螺线管A 中间，试测线圈平面与螺线管的轴线垂直，可认为穿过该试测线圈的磁场均匀。
将试测线圈引线的两端与冲击电流计D 相连。
拨动双刀双掷换向开关K ，改变通入螺线管的电流方向，而不改变电流大小，在P 中产生的感应电流引起D 的指针偏转。
（1）将开关合到位置1，待螺线管A 中的电流稳定后，再将K 从位置1拨到位置2，测得D 的最大偏转距离为d m ，已知冲击电流计的磁通灵敏度为D φ， D φ＝m d N φ∆，式中φ∆为单匝试测线圈磁通量的变化量。
则试测线圈所在处磁感应强度B ＝＿＿＿＿＿＿；若将K 从位置1拨到位置2的过程所用的时间为Δt ，则试测线圈P 中产生的平均感应电动势ε＝＿＿＿＿。
（2）调节可变电阻R ，多次改变电流并拨动K ，得到A 中电流I 和磁感应强度B 的数据，见右表。
由此可得，螺线管A 内部在感应强度B 和电流I 的关系为B ＝＿＿＿＿＿＿＿＿。
（3）（多选题）为了减小实验误差，提高测量的准确性，可采取的措施有（A ）适当增加试测线圈的匝数N（B ）适当增大试测线圈的横截面积S（C ）适当增大可变电阻R 的阻值（D ）适当拨长拨动开关的时间Δt答案：（1）2m d ND S φ，m d D t φ∆ （2）0.00125I （或kI ） （3）A ，B解析：（1）改变电流方向，磁通量变化量为原来磁通量的两倍，即2BS ，代入公式计算得B =2m d ND S φ，由法拉第电磁感应定律可知电动势的平均值ε＝m d D tφ∆。
（2）根据数据可得B 与I 成正比，比例常数约为0.00125，故B =kI （或0.00125I ）（3）为了得到平均电动势的准确值，时间要尽量小，由B 的计算值可看出与N 和S 相关联，故选择A 、B 。
[例3]（2006·上海）演示位移传感器的工作原理如下图所示，物体M 在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆p ，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x 。
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 实验次数I （A ） B （×10－3T ） 10.5 0.62 21.0 1.25 31.5 1.88 42.0 2.51 5 2.53.12B.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 不动时，电压表没有示数[剖析] 物体M 运动时，电压表测的对应电阻发生改变，所以其示数会发生变化，但整个电路的总电阻没改变，所以电路中的电流不变。
[答案] B[例4] 07-08学年清华大学附中模拟试题14．传感器是把非电学量（如高度、温度、压力等）的变化转换成电学量变化的一种元件，它在自动控制中有着广泛的应用．如图是一种测定液面高度的电容式传感器的示意图．金属棒与导电液体构成一个电容器，将金属棒和导电液体分别与直流电源的两极相连接，从电容C 和导电液与金属棒间的电压U 的变化就能反映液面的升降情况，即①电源接通后，电容C 减小，反映h 减小．②电源接通后，电容C 减小，反映h 增大．③电源接通再断开后，电压U 减小，反映h 减小．④电源接通再断开后，电压U 减小，反映h 增大．以上判断正确的是（ B ）．A ．①③B ．①④C ．②③D ．②④[答案] B[例5] （2006·上海）用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。
下列属于这类传感器的是…………（ ）A.红外报警装置B.走廊照明灯的声控开关C.自动洗衣机中的压力传感装置D.电饭煲中控制加热和保温的温控器[剖析] 红外线的特性之一是可以进行遥感。
[答案] A★抢分频道◇限时基础训练（20分钟）班级 姓名 成绩1.（2008·汕头）吉他以其独特的魅力吸引了众多音乐爱好者，电吉他与普通吉他不同的地方是它的每一根琴弦下面安装了一种叫做“拾音器”的装置，能将琴弦的振动转化为电信号，金属棒 电介质 导电液电介质 h电信号经扩音器放大，再经过扬声器就能播出优美音乐声。
如图是拾音器的结构示意图，多匝线圈置于永久磁铁与钢制的琴弦（电吉他不能使用尼龙弦）之间，当弦沿着线圈振动时，线圈中就会产生感应电流。
关于感应电流，以下说法正确的是（）A．琴弦振动时，线圈中产生的感应电流是恒定的B．琴弦振动时，线圈中产生的感应电流大小变化，方向不变C．琴弦振动时，线圈中产生的感应电流大小不变。