（高考物理）传感器知识和试题详解

问题1：什么是传感器？答：传感器是能够感受诸如力、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的器件或装置。如图所示，传感器不仅已经遍及日常生活中的方方面面，更在技术、科技等领域中发挥着重要作用。问题2：为什么要研究传感器？答：原因①科学研究的需要。人类依靠五种感觉（视、听、嗅、味、触）来感受并认识所生活的世界。但随着认知的不断拓展，从微观的粒子世界到宏观的宇宙空间出现了众多人类无法直接接触或感知的极端环境，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场等。在这些极端环境下的研究需要人们通过传感器拓展感官的本领，获取大量人类感官无法直接获取的信息。原因②社会发展的需要。信息采集、处理、储存和传输的自动化与智能化是实现自动控制、数字化信息传输的基础。与压力、速度、温度、亮度等非电学量相比，电压、电阻、电容和电感等电学量更便于电学仪表显示和用于自动控制。传感器可以将获取的信息转换成电压、电流等电学量，或转换为电路的通断，实现上述目的。问题3：传感器是如何工作的？答：图中所示为传感器应用的一般模式。传感器主要由敏感元件和转换元件组成。敏感元件直接感受被测的量，并输出与被测的量有确定关系的信号。转换元件将敏感元件输出的物理信号转换为便于显示、记录、处理和控制的电信号。问题4：如何将传感器进行分类？答：如图所示，可以从不同的角度将传感器进行分类。问题5：传感器中常用的敏感元件有哪些？答：敏感元件是传感器的核心部分，它可以利用各种材料的物理、化学、生物效应，将非电学参数的变化转换成电学参数的变化。

常见的敏感元件有力敏元件、光敏元件、热敏元件、磁敏元件、气敏元件、声敏元件、湿敏元件、放射线敏感元件等，它们能直接感受诸如压力、光照、温度、磁场、气体、声音、湿度、放射线等非电信息。图中所示的热敏电阻是利用半导体的电阻会随温度的变化而改变的特性制成的热敏元件，光敏电阻是用金属硫化物等半导体材料制成的光敏元件，电阻应变片是一个力敏元件，霍尔元件则是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件。问题6：如何通过实验认识热敏电阻和光敏电阻的性质？答：如图所示，将一温度计和一连接有欧姆表的热敏电阻放入装有水的烧杯中．烧杯固定在铁架台上。用酒精灯给水加热，记录不同温度下欧姆表的读数，通过在R—t坐标系中作图即可得出热敏电阻的阻值随温度变化的关系。若实验中得到的R—t如图中所示，则说明：与金属热电阻的阻值随温度的升高逐渐线性增大不同，这个热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐减小，且这一过程中阻值的变化是非线性的，这类热敏电阻称为负温度系数热敏电阻（NTC）。另有一类热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，称为正温度系数热敏电阻（PTC）。利用如图所示的电路可以研究光敏电阻的阻值与光照强度的关系。实验发现：光照越强，光敏电阻的阻值越小。这是因为：制作光敏电阻的半导体材料（比如硫化镉）的载流子浓度与光照强度有关；无光照时，载流子极少，导电性能差，阻值变大；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好，阻值变小。问题7：为什么霍尔元件是一种磁敏元件？答：霍尔元件是一种利用霍尔效应原理制成的敏感原件。如图所示，将通有电流的导体放置于与电流方向垂直的磁场中时，在A、A＇两个表面间会产生一个电势差U，这种现象是1879年美国物理学家霍尔对铜箔做实验时发现的，因此称为霍尔效应（Hallefect），两表面之间的电势差被称为霍尔电势差。霍尔效应由于电荷定向移动过程中受到洛伦兹力的作用，发生偏转引起的。假设导体内电荷定向移动的平均速率为v，则电荷定向移动过程中受到的洛伦兹力为f

=qvB电荷发生偏转使得AA＇两侧分别聚集了正、负电荷，于是形成电势差，也就在AA＇之前形成了电场。当电场力与洛伦兹力平衡后，电荷将不发生偏转，此时AA＇之间形成稳定的电势差。此时有：电荷定向移动的平均速率v与电流I

之间满足关系：I=nqSv=nqbcv所以霍尔电压与磁场、电流之间满足关系：比例系数k叫做霍尔系数。不仅导体可以产生霍尔效应现象，半导体也可以产生霍尔效应，上述表达式表明霍尔系数k与载流子浓度n有关，因此可以利用霍尔效应测量半导体材料的载流子浓度。霍尔电势差的正负与电荷的正负有关，因此可以根据霍尔电势差的