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第九章传感器

9．1 传感器及其敏感元件

1． 传感器(sensor)

一种检测装置（元件），能感受到被测量的信息，并将其转化为电信号进行输出。

具体的说，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，或转化为电路的通断。

2．传感器的结构

传感器的结构如下图所示。

① 非电学量：如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等。

② 敏感元件：光敏电阻，热敏电阻，压力传感器的应变片等。

③ 转化器件：将非电信号转化为电信号，如应变片受力后弯曲，一侧伸长，一侧缩短，需将长度信息转化为电阻信息，但一般电信号还比较微弱。

如敏感元件输出的是电信号，则敏感元件和转化元件合二为一。

④ 转换电路：对电信号进行调整和放大。

⑤ 电学量：如电压值、电流值、电荷量等。

例1.（多选）传感器担负着信息采集的任务，它可以（ ）

A．将力学量（如形变量）转变成电学量

B．将热学量转变成电学量

C．将电学量转变成光学量

D．将电学量转变成力学量

【答案】AB

【解析】传感器将非电信号转化为电信号，所以AB正确。

3． 敏感元件

(1). 光敏电阻

主要特性：光照强度增大，电阻值减小。

材料：由半导体材料制成，如硫化镉。

机制：在无光时，自由电荷（载流子）极少，导电性能不好，即电阻R大；

随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即R明显减小。

(2).热敏电阻

材料：热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。

主要性质：正温度系数（PTC）热敏电阻器：电阻值随温度上升而增加；

负温度系数（NTC）热敏电阻器：电阻值随温度上升而减小，一般非线性，

临界温度电阻（CTR）：某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数。

电阻率随温度变化图像，如下图：斜率表示随温度变化的敏感程度，即变化率。

应用：测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿。

(3).金属热电阻

金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。

(4).热敏电阻和金属热电阻的区别

温度升高，金属热电阻电阻增大，而不同热敏的电阻可能增大也可能减小；

相比较而言，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高。

例2.光照传感器在大棚种植中得到了广泛的应用，技术人员通过光敏电阻设计了如图所示的光控电路，增加植物光照时间，有效地提高了作物的产量。电阻箱阻值调整为，闭合开关后，秋天傍晚6点时，灯泡L两端的电压达到一定值，恰好能发光。已知光敏电阻的阻值随光照的增强而减小，电流表、电压表均为理想电表，灯泡的光对光敏电阻的影响不计，不考虑灯泡电阻的变化。下列说法正确的是（　　）

A．光照减弱的过程中电流表示数增大

B．光照减弱的过程中电压表和电流表示数比值不变

C．光照减弱的过程中电压表和电流表变化量绝对值的比值变大

D．若电阻箱阻值大于，则秋天傍晚6点之后L才可能发光

【答案】D

【详解】A．光照减弱的过程中，光敏电阻的阻值增大，整个回路的电阻增大，电流表示数减小，故A错误；

B．电压表和电流表示数的比值为并联部分总电阻，光照减弱的过程中，电压表和电流表示数的比值增大，故B错误；

C．根据闭合电路欧姆定律可知电压表和电流表变化量绝对值的比值为，恒定不变，故C错误；

D．若电阻箱阻值大于，则当光敏电阻阻值大于傍晚6点时的阻值时，灯泡才可能发光，故D正确。

4．传感器的分类

(1) 常用传感器根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。

①物理传感器：包括力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器；

②化学传感器：包括离子传感器、气体传感器等化学传感器；

③生物传感器：包括酶传感器、微生物传感器，细胞传感器等生物传感器。

(2) 物理型传感器的分类

①按测量的物理量分类，可分为位移、力、温度、磁场传感器等;

②按工作原理分类，可分为热电偶、霍尔器件、光电传感器等;

③按感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等;

④按输出信号的性质则可分为输出数字信号 (1和0)、模拟信号。

例3.（单选）人类发射的绕地球运转的所有航天器，在轨道上工作时都需要电能，所需要的电能都是由太阳能电池把太阳能转化为电能得到的，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方位（ ）

A．力传感器 B．光传感器C．温度传感器 D．生物传感器

【答案】　B

【解析】　太阳帆的有效采光面积不同，所产生的电流不同，当电流最大时正对太阳，所以应用的是光传感器，选项B正确，选项A、C、D错误。

题型01光敏电阻在电路中的应用

例4.（22-23高二下·上海徐汇·期中）如图所示是用光敏电阻实现自动计数的原理示意图。其中为光敏电阻，为定值电阻。于是每当流水线上有元件遮挡了照射光束，则（　　）

A．阻值变小，信号系统获得电压降低 B．阻值变小，信号系统获得电压升高

C．阻值变大，信号系统获得电压降低 D．阻值变大，信号系统获得电压升高

【答案】C

【详解】每当流水线上有元件遮挡了照射光束，光敏电阻阻值变大，整个电路的电阻变大，电动势不变，则电流减小，两端的电压减小，由于信号系统获得电压等于两端电压，则信号系统获得电压降低。

故选C。

题型02热敏电阻在电路中的应用

例5.（2022·上海青浦·二模）利用某半导体的电阻随温度升高而减小的特征可以制作电子温度计。图甲表示该半导体的电阻R随摄氏温度t变化的情况。把该半导体与电动势为E、内阻为r的电源，理想电压表和保护电阻R₀连成如图乙所示的电路。用该半导体作测温探头，把电压表的电压刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简易的电子温度计。下列说法正确的是（　　）

A．电压较大的刻度对应较高的温度

B．电压刻度0V对应的就是0℃

C．该电子温度计表盘上温度的刻度是均匀的

D．若电池用久后内阻r变大，用该温度计测量的温度要比真实值偏高

【答案】D

【详解】AB．由图像可知可知温度越高，U越小，

电压较大的刻度对应较低的温度，电压刻度0V对应的温度较高的刻度，不是0℃，选项AB错误；

C．根据可知，该电子温度计表盘上温度的刻度是不均匀的，选项C错误；

D．若电池用久后内阻r变大，根据可知相同的R值时U值偏小，则对应的温度偏高，

即用该温度计测量的温度要比真实值偏高，选项D正确。

故选D。

1．全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该水位自动感应装置采用的传感器是（ ）

A．温度传感器 B．压力传感器

C．生物传感器 D．红外线传感器

【答案】B

【解析】传感器是通过压力的变化来感知水位的高低，B正确。

2．关于光敏电阻，下列说法正确的是（ ）

A．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

B．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好

C．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较多，导电性良好

D．半导体材料硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性变好

【答案】ABD

【解析】硫化镉随着光照增强，载流子增多，导电性变好，由它做成的光敏电阻随着光照增强，电阻变小

3．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

【答案】A

【解析】红外线是光信号，红外报警装置是把光信号转化为电信号，A正确；

声控开关是把声音信号转化为电信号，B错误；

压力传感装置是把力信号转化为电信号，C错误；

温控器是把温度信号转化为电信号，D错误。

4．（24-25高三上·上海松江·阶段练习）传感器一般是将非电学量转换成易于传输或测量的量。分体式位移传感器由发射器和接收器组成，研究小车在轨道上的运动情况时，固定在小车上的发射器同时向接收器发射红外线脉冲和脉冲。

【答案】 电学量 超声波

【详解】[1]传感器一般是将非电学量转换成易于传输或测量的电学量；

[2]分体式位移传感器由发射器和接收器组成，研究小车在轨道上的运动情况时，固定在小车上的发射器同时向接收器发射红外线脉冲和超声波脉冲。

5． 烟雾散射式火灾报警器内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平常光电三极管收不到LED发出的光，呈现________电阻状态。当有烟雾时因其对光的散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变________。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。

【答案】高 小

6．（单选）如图所示是一自动控制电路示意图，R₁为光敏电阻，当照射到R₁处的光消失时，电流表A中的电流I及ab间的电压U的变化情况是（ ）

A．I变大，U变大　　　 B．I变小，U变小

C．I变小，U变大 D．I变大，U变小

【答案】： A

【解析】：光敏电阻无光照射时其阻值变大，并同串反，A符合题意。

7．如图所示，R₁为定值电阻，R₂为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（ ）

A．R₁两端的电压增大 B．电流表的示数增大

C．小灯泡的亮度变强 D．小灯泡的亮度变弱

【答案】C

【解析】负温度系数的热敏电阻，温度降低时，电阻增大。并同串反，L变亮，电流表和R1两端电压都变小，C正确。

8． 下图为某温度报警的电路图。蜂鸣器两端的电压超过某一数值时会鸣响，热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小，为定值电阻，电源的内阻不能忽略。某温度下蜂鸣器不响，温度升高时（  ）

A．电压表的示数增大 B．电源输出功率一定增大

C．电源的总功率一定减小 D．温度升高到某一温度时，蜂鸣器可能会鸣响

【答案】D

【详解】A．温度升高时，热敏电阻的阻值减小，干路电流增大，电压表示数减小，故A错误；

B．由于不知道外电阻与内阻的关系，无法判断输出功率如何变化，故B错误；

C．干路电流增大，电源的总功率P=EI增大，故C错误；

D．当减小时，两端的电压增大，当其达到蜂鸣器的域值时，蜂鸣器就会鸣响，D正确。

故选D。

9．（2023·上海宝山·一模）酒精测试仪的工作原理如图所示，其中电源的电动势为E、内电阻为r，P是半导体型酒精气体传感器，该传感器电阻rʹ的倒数与酒精气体的浓度C成正比，R₀为定值电阻。为了判断浓度C增大时电压表读数如何变化，我们用到的主要物理规律有（请写出一个）：，当浓度C趋于无穷大时电压表读数将趋于。

【答案】 闭合电路欧姆定律

【详解】[1] 酒精气体传感器电阻rʹ的倒数酒精气体的浓度C成正比。酒精气体的浓度C的变化会影响酒精气体传感器电阻，电路总电阻会变化，由闭合电路欧姆定律可知回路中电流会变化，电压表读数会变化。因此为了判断浓度C增大时电压表读数如何变化，我们用到的主要物理规律是闭合电路欧姆定律。

[2] 当浓度C趋于无穷大时，酒精气体传感器电阻rʹ趋于零。由闭合电路欧姆定律得

电压表读数

10.（2022·上海浦东新·模拟预测）图（a）是某生鲜超市流水线上的产品输送及计数装置示意图，其中K为光源，电源电动势E =6V，内阻为r。R₁为定值电阻，R₂为光敏电阻（无光照射时阻值大，有光照射时阻值小）。产品随传送带匀速运动，当产品通过光源K与R₂之间时，射向R₂的光束会被挡住。合上电键S，R₂两端的电压U随时间t变化的关系如图（b）所示。则每分钟通过计数装置的产品个数为个，有光照射和无光照射时R₂的功率之比为。

【答案】 30 1∶1

【详解】[1]由图（b）可知，每隔2s通过一个产品，因此每分钟通过产品数为30个；

[2] 由图（b）可知，有光照时，光敏电阻两端的电压为流过回路的电流

无光照时，光敏电阻两端电压为流过回路的电流

根据可知，有光照射和无光照射时的功率之比

11.在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是元件，元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率随温度的变化关系如图所示，由于这种特性，元件具有发热、保温双重功能。对此，以下判断正确的是（ ）

①通电后，其电功率先增大，后减小

②通电后，其电功率先减小，后增大

③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在不变

④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在和之间的某一值不变

A．①③B．②③C．②④D．①④

【答案】D

【解析】当温度由升到的过程中，电阻率随温度升高而减小，其电阻随之减小，由于加在灭蚊器上的电压保持不变，热功率随之增大，当时，达到最大。

当温度由升高到的过程中，增大，增大，减小；

而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率也就越大；因此在这之间的某一温度会有，为保温点；

当，，使温度自动升高到；当，，使温度自动降为，实现自动保温。

（恒温点在t1或小于t1时，当温度降低时，加热功率和散热功率都减小，不利于控制升温；

同理恒温点等于或大于t3，当温度升高时，加热功率和散热功率都增大，不利于控制降温；

只有温度降低时，加热功率增大，散热功率减小，那一定会升温；温度升高时，加热功率减小，散热功率增大，那一定会降温，所以恒温点在t1和t2之间最合理可行。）

12.如图所示为一实验小车利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是________；小车速度的表达式为v=________；行程的表达式为s=________。

【答案】车轮半径R和齿轮的齿数P

【解析】小车的速度等于车轮周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积。设车轮的半径为R，单位时间内车轮转动圈数为k，则有v=2πRk。若齿轮的齿数为P，则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为P，已知单位时间内的脉冲数为n，所以单位时间内齿轮转动圈数为。由于齿轮与车轮同轴相连，他们在单位时间内转动圈数相等，即。由以上两式可得，。同理，设车轮转动的累计圈数为k＇，则有s=2πRk＇，且，所以。可见，要测出小车的速度v和行程s，除单位时间内的脉冲数n和累计脉冲数N外，还必须测出车轮半径R和齿轮的齿数P。

（24-25高一上·上海普陀·期中）传感器

传感器是一种能够检测和测量物理量的装置，通过将物理量转化为电信号或其他可感知的形式，可以帮助我们获取关于物理世界的信息。

13．有关位移传感器的说法不正确的是（　　）

A．位移传感器的发射器装有红外线和超声波发射器，接收器装有红外线和超声波接收器

B．测量时，发射器向接收器只发射一种红外脉冲，接收器只接收红外线脉冲信号

C．开始计时起，接收器接收红外和超声信号的时间分别为和，计算机根据二者的时间差和空气中的声速，计算出发射器和接收器之间的距离

D．位移传感器忽略红外线传播的时间，因为其对实验的影响忽略不计

14．“用DIS测定瞬时速度”的实验装置如图所示，挡光片宽度为m，当小车从高处滑下时，实验中挡光片通过光电门的时间为0.02s，则小车上的挡光条开始挡光时的近似瞬时速度为m/s，这个计算出的瞬时速度值比真实的瞬时速度值。（选填“偏大”、“偏小”或“两者相等”）

15．如图甲所示，通过一拉力传感器（能测力大小的装置）水平向右拉一水平面上质量5.0kg的木块，A端的拉力均匀增加，0～时间内木块静止，木块运动后改变拉力，使木块在后做匀速直线运动。计算机对数据拟合处理后，得到图乙所示拉力随时间变化的图线，下列说法正确的是（g取10）（　　）

A．当F=6.0N时，木块与水平面间的摩擦力

B．若继续增大拉力至F=10.0N，则木块与水平面间的摩擦力

C．木块与水平面间的动摩擦因数为

D．木块与水平面间的动摩擦因数为

【答案】13．B 14．0.25 偏大 15．C

【解析】13．ABD．位移传感器中装有红外线和超声波发射和接收装置。测量时，固定在被测物体上的发射器向接收器发射红外脉冲和超声波信号，接收器也会接收红外线脉冲信号和超声波信号。由于红外线和超声波在空气中的传播速度不同，根据时间差可以计算出距离，由于红外线信号传播速度为光速，故而传播时间趋近于0，因此可以忽略不计。AD正确，B错误；

C．根据ABD选项中的解析可得发射器和接收器之间距离为C正确。

本题选不正确的，故选B。

14．[1][2]小车上的挡光条开始挡光时的近似瞬时速度为

小车做匀加速直线运动，所求得的平均速度，等于小车上的遮光条挡光时间段中间时刻的速度，大于小车上的遮光条开始挡光时的速度。

15．A.由图像得，木块与水平面间最大静摩擦力为8.5N，若F=6.0N

拉力没有达到最大静摩擦力，木块与水平面间的摩擦力为静摩擦力，

故摩擦力为f₁=F=6.0N故A错误；

B.若F=10N，拉力大于最大静摩擦力，木块与水平面间的摩擦力为滑动摩擦力，

由图乙可得f₂=8.0N故B错误;；

CD.由图乙可知木块与水平面的滑动摩擦力大小f₂=8.0N

由f₂=μN= μmg得，木块与水平面的动 摩擦因数为μ= =0.16故 D错误，C正确。故选C。