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14 交变电流
[-考点-07-] 传感器
一、传感器及其工作原理
1．传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们
按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常转换成的可用信号是电压、
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，可以很方便地进行测量
传输、处理和控制．
传感器应用的一般模式如图所示：
2．传感器的核心元件
(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分．
(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分．
(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分．
3．传感器的分类
工作原理
举例
物理传感器
利用物质的物理特性或物理效应感知
并检测出待测对象信息
力传感器、磁传感器、声传感
器等
化学传感器
利用电化学反应原理，把无机或有机
化学物质的成分、浓度转换为电信号
离子传感器、气体传感器等
生物传感器
利用生物活性物质的选择性来识别和
测定生物化学物质
酶传感器、微生物传感器、细
胞传感器等
二、常见敏感元件
1．光敏电阻
(1)特点：光照越强，电阻越小．
(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着
光照的增强，载流子增多，导电性变好．
(3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．
2．热敏电阻和金属热电阻
(1)热敏电阻
热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲
所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线．
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(2)金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻
如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线．
(3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．
注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电
阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．
3．电阻应变片
(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量．
(2)电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是应变片．
(3)电子秤的工作原理
⇒⇒⇒
三、霍尔元件的应用
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件．一般用于电机中测定转子的转速，如
录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等．
(1)霍尔元件的工作原理：E、F 间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B 时，薄
片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N 间出
现电压(如图所示)．
(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡．
(3)霍尔电压：UH＝k(d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数)．其中UH与B 成正比，所以霍尔元件
能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．
典例1 (光敏电阻)如图所示，电源的电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻，光照强度增大
时，其阻值减小．现增加光照强度，则下列判断正确的是( )
A．B 灯变暗，A 灯变亮
B．R2两端的电压变大
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C．B 灯变亮，A 灯变暗
D．电源的总功率变小
答案 B
解析 增加光照强度时，R1的阻值减小，电路的总电阻减小．根据闭合电路的欧姆定律可
知，电路中的总电流增大，电源的总功率增大，路端电压减小，A 灯变暗，A 中的电流变
小，则R2的电流变大，R2两端的电压变大，R1两端的电压变小，B 灯变暗，选项B 正确，
A、C、D 错误．
典例2 (热敏电阻)(多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关
物理量的控制．如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高，电阻越
小)，C 为电容器．当环境温度降低时( )
A．电容器C 的带电荷量增大
B．理想电压表的示数增大
C．电容器C 两板间的电场强度减小
D．R1消耗的功率增大
答案 AB
解析 当环境温度降低时，R2的阻值增大，电路的总电阻增大，由I＝可知I 减小，又U＝
E－Ir，则电压表的示数增大，B 正确；由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1减小，D 错误；
电容器C 两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1减小，U2增大，由电场强度E′＝，
Q＝CU2可知，Q、E′都增大，故A 正确，C 错误．
典例3 (电阻应变片)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
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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FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上，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FN′－mg＝
ma′，合力向上，加速度向上，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．
典例4 (霍尔元件)(多选)如图是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d 表示薄片的厚度，k
为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k 为定值，如果保持I 恒定，则可以验证UH随B 的变化
情况．以下说法正确的是(工作面是指较大的平面)( )
A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大
B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化
答案 ABD
解析 将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B 增大，I 恒定，由公式UH＝知UH
将变大，选项A 正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持
水平，使B 与工作面垂直，选项B 正确；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍尔元件的
工作面在竖直方向且垂直于南北方向时，B 才与工作面垂直，选项C 错误；改变磁感线与
霍尔元件工作面的夹角，B 垂直工作面分量的大小发生变化，UH将发生变化，选项D 正
确．
典例5 (自动控制装置)如图是利用太阳能给LED 路灯供电的自动控制电路的示意图．R 是
光敏电阻，R0是保护定值电阻，日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，GH 接入电路，太
阳能电池板给蓄电池充电，光线不足时，衔铁被弹簧拉起，与EF 接入电路，蓄电池给
LED 路灯供电，路灯亮起，下列关于该电路分析正确的是( )
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A．该光敏电阻阻值随光照强度增大而增大
B．增加电源电动势可以增加路灯照明时间
C．增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照明时间
D．并联更多的LED 路灯可延长每天路灯照明时间
答案 C
解析 日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，根据闭合电路欧姆定律，控制电路中电阻变
小，电流变大，衔铁被吸下，则当日光充足时光敏电阻R 阻值减小，故A 错误；电动势增
大，电阻不变情况下，电流增大，电磁继电器把衔铁吸下，减少了路灯照明时间，故B 错
误；增大保护电阻R0，减小了电流，延长了照明时间，故C 正确；LED 灯的盏数不影响控
制电路，考虑蓄电池容量一定，可能减少照明时间，故D 错误．
1.如图所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有
薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电
容器的两极．在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变
化，从而使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的 (
)
A．距离变化
B．正对面积变化
C．电介质变化
D．电压变化
答案 A
解析 振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信
号转化为电信号，故A 正确．
2.对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器．它的原理如下：传感器
的核心为一恵斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催
化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个
电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测．
由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为( )
A．铜
B．合金
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C．半导体
D．绝缘体
答案 C
解析 由题意可知，该电阻为热敏电阻，热敏电阻由半导体材料制成，故C 正确，A、B、
D 错误．
3.(多选)如图为电阻R 随温度T 变化的图线．下列说法中正确的是( )
A．图线1 是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
B．图线2 是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
C．图线1 对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D．图线2 对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
答案 BD
解析 金属热电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数半导体材料制成的热敏电阻的阻
值随温度升高而减小，故A 错误，B 正确；图线1 对应的材料化学稳定性好、测温范围大，
但灵敏度低，图线2 对应的材料化学稳定性差、测温范围小，但灵敏度高，故C 错误，D
正确．
4.如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器
(温度越高，其阻值越小)，a、b 之间接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，流过显示
器的电流I2、报警器两端的电压U 的变化情况是( )
A．I2变大，U 变大
B．I2变小，U 变小
C．I2变小，U 变大
D．I2变大，U 变小
答案 D
解析 当传感器R2所在处出现火情时，R2的阻值减小，则外电路总电阻减小，由闭合电路
欧姆定律可知，电路中总电流将增大，由U＝E－Ir 可知，路端电压减小，即报警器两端的
电压U 将减小；因总电流I 增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流
过R3的电流I3减小，流过R2的电流I2＝I－I3变大，选项A、B、C 错误，D 正确．
5.(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L 为小灯泡，R3为光敏电阻，电压表内阻不计，当
入射光强度增大时( )
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A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压增大
答案 ABC
解析 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路
欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故
电路的路端电压减小，A 项正确，D 项错误；因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2
两端电压必减小，则R2中电流减小，B 项正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，知流
过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C 项正确．
6.(2020·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.(多选)如图所示，理想变压器的原线圈与定值电阻r 串联，副线圈接热敏电阻RT(温度升
高，阻值减小)，在正弦交流电源的电压U0不变的情况下，下列说法正确的是( )
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A．当RT的温度升高时，原线圈两端的电压一定减小
B．当RT的温度升高时，原线圈中的电流一定减小
C．当RT的温度降低时，r 消耗的功率一定减小
D．当RT的温度降低时，r 消耗的功率一定增大
答案 AC
解析 设变压器原线圈的匝数为n1，副线圈的匝数为n2，当RT的温度升高时，其阻值减小，
副线圈的电流I2增大，根据＝，可知原线圈的电流I1增大，根据U0＝I1r＋U1，可知原线圈
两端的电压U1减小，故A 正确，B
错误；同理，当RT的温度降低时，其阻值增大，副线
圈的电流I2减小，根据＝，可知原线圈的电流I1减小，根据P＝I1
2r，可知r 消耗的功率一
定减小，故C 正确，D 错误．
8.(多选)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图甲所示为某
工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B 能接收到发光元件A 发出的光，每当工件
挡住A 发出的光时，光传感器输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，
如图乙所示．若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m，则下述说法正确的是
( )
A．传送带运动的速度是0.1 m/s
B．传送带运动的速度是0.2 m/s
C．该传送带每小时输送3 600 个工件
D．该传送带每小时输送7 200 个工件
答案 BC
解析 由题图乙可知，每隔1 s 记录一个工件，因此传送带运动的速度是0.2 m/s，进而可
知，每小时该传送带输送3 600 个工件，故选项B、C 正确．
9.(2023·黄石·诊断)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小．有一位同学利用压敏电阻设
计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示．将压敏电阻和一块挡板固定在水
平光滑绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车在水平面内向右做直线运动的过程中，
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电流表示数如图乙所示，0～t1时间内小车向右做匀速直线运动，下列判断正确的是( )
A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
答案 D
解析 分析题图乙中电流随时间的变化关系可以得出，在t1～t2时间内，电流增大，表明题
图甲中压敏电阻的阻值逐渐减小，即压敏电阻受到的压力逐渐增大，所以可判断小车在向
右做加速度逐渐增大的加速运动；在t2～t3时间内，电流在较大数值上保持恒定，说明电阻
保持一个较小值，即受到的压力保持恒定，说明小车在向右做匀加速直线运动，故选项D
正确.
10.(2022·河北卷·12)某物理兴趣小组利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲，设计电
路如图甲所示．选用的器材有：限温开关S1(手动将其按下，开始持续加热煮饭，当锅内温
度高于103 ℃时自动断开，之后不能自动闭合)；保温开关S2(当锅内温度高于80 ℃时自
动断开，温度低于70 ℃时自动闭合)；电饭煲的框架(结构如图乙所示)．自备元件有：加
热电阻丝R(阻值为60 Ω，用于加热煮饭)；限流电阻R1和R2(阻值均为1 kΩ)；指示灯L1和
L2(2.5 V,0.6 W，当电流低于30 mA 时可视为熄灭)；保险丝T.
(1)按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是________(多选)．
A．按下S1，L1和L2均发光
B．当锅内温度高于103 ℃时，S1自动断开，L1和L2均发光
C．保温过程中，S2自动在闭合、断开状态之间交替切换
D．当锅内温度低于70 ℃时，S2自动闭合，L1发光，L2熄灭
(2)简易电饭煲制作完成后，试用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常．在不增加元件
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的前提下，断开电源，使用多用电表判断发生故障的元件．下列操作步骤的正确顺序是
__________(填写各步骤前的字母)．
A．将选择开关旋转到“×100”位置
B．将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点
C．调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度
D．测量指示灯L1两端的阻值
E．将选择开关置于OFF 位置或交流电压最高挡
操作时，将多用电表两表笔与L1两端接触，若指针如图丙所示，可判断是________断路损
坏；若指针如图丁所示，可判断是________断路损坏．(用电路中的元件符号表示)
答案 (1)CD (2)CABDE L1 R1
解析 (1)按下S1后L2支路被短路，则L2不会发光，A 错误；当锅内温度高于103 ℃时，
S1断开，而要温度降到70 ℃以下时S2才会闭合，则此时L2可能发光，此时电路中R 与R1
和L1的串联部分并联，并联的整体再和L2、R2串联，RL≈10.42 Ω，
则回路中并联部分的电阻R 并≈56.64 Ω
则回路总电阻R 总＝1 067.06 Ω
则回路总电流I 总＝≈0.21 A
则L2一定发光，此时并联的整体的电压为
U 并＝I 总R 并≈11.89 V
则流过L1的电流为
IL1＝＝ A≈0.012 A
流过L1的电流小于30 mA，则L1熄灭，B 错误；由题知，S2在锅内温度高于80 ℃时自动
断开，锅内温度降到70 ℃以下时S2自动闭合，C 正确；当锅内温度低于70 ℃时，S2自动
闭合，L2支路被短路，则L2不会发光，此时电路中R 与R1和L1的串联部分并联，则此时
流过L1的电流为
IL1′＝＝ A≈0.218 A，此时流过L1的电流大于30 mA，则L1发光，D 正确．
(2)多用电表的操作步骤为：调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度——机械调零；将
选择开关旋转到“×100”位置——选挡；将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，
使指计指向欧姆零点——欧姆调零；测量指示灯L1两端的阻值——测量；将选择开关置于
OFF 位置或交流电压最高挡——关闭多用电表．故正确顺序为CABDE.
由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T 均正常，若指
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针如题图丙所示，可看出L1两端有1 100 Ω 左右的电阻，则说明L1始终不亮的原因是L1断
路损坏；
若指针如题图丁所示，可看出欧姆表的示数几乎为零，但由于RL＝10.42 Ω，此时选用的是
“×100”挡，则说明灯泡L1正常，则说明L1始终不亮的原因是R1断路损坏．
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