届二轮复习传感器及其应用 学案 1.docx

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届二轮复习传感器及其应用学案1

传感器及其应用

学习目标

1.知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻的作用.

2.能够通过实验探究光敏电阻和热敏电阻的特性.

3.了解常见的各种传感器的工作原理、元件特性及设计方案．

重点知识梳理

一、研究热敏电阻的特性

1．实验原理

闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察．

2．实验器材

半导体热敏电阻、多用电表、温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水．

3．实验步骤

（1）按实验原理图甲连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；

（2）把多用电表置于欧姆挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数；

（3）向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值；

（4）将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录．

4．数据处理

在图1坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．

图1

5．实验结论

热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大．

6．注意事项

实验时，加热水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温．

二、研究光敏电阻的光敏特性

1．实验原理

闭合电路欧姆定律，用欧姆表进行测量和观察．

2．实验器材

光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线、电源．

3．实验步骤

（1）将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器如实验原理图乙所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡；

（2）先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；

（3）打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录．

（4）用手掌（或黑纸）遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录．

4．数据处理

根据记录数据分析光敏电阻的特性．

5．实验结论

（1）光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小．

（2）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．

6．注意事项

（1）实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少来达到实验目的；

（2）欧姆表每次换挡后都要重新调零．

高频考点突破：

一　温度传感器的应用

例1．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的．如图2甲所示，电源的电动势E＝9.0V，内阻不计；G为灵敏电流计，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙所示，闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1＝2mA；电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻的温度是________℃.

图2

答案　120

解析　E＝I（R＋Rg）代入I1＝2mA得Rg＝0.5kΩ

代入I2＝3.6mA得R＝2kΩ

读图可得温度为120℃.

【变式探究】利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高．

（1）如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变________（选填“大”或“小”）．

（2）上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度．如果刻度盘正中的温度为20℃（如图3甲所示），则25℃的刻度应在20℃的刻度的________（选填“左”或“右”）侧．

图3

（3）为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图乙中的器材（可增加元器件）设计一个电路．

答案　

（1）小　

（2）右　（3）见解析图

【举一反三】如图4，一热敏电阻Rt放在控温容器M内；

为毫安表，量程6mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9Ω；S为开关．已知Rt在95℃时的阻值为150Ω，在20℃时的阻值约为550Ω.现要求在降温过程中测量在95～20℃之间的多个温度下Rt的阻值．

图4

（1）在图中画出连线，完成实验原理电路图．

（2）完成下列实验步骤中的填空．

①依照实验原理电路图连线．

②调节控温容器M内的温度，使得Rt温度为95℃.

③将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全．

④闭合开关．调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录_______________________．

⑤将Rt的温度降为t1（20℃＜t1＜95℃）；调节电阻箱，使得电流表的读数________________，记录________________________．

⑥温度为t1时热敏电阻的电阻值Rt1＝__________________________.

⑦逐步降低t1的数值，直至20℃为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.

答案　

（1）见解析图　

（2）④电阻箱的读数R0　⑤仍为I0　电阻箱的读数为R1　⑥R0－R1＋150Ω

解析　

（1）根据所给器材，要测量在不同温度下Rt的阻值，只能将电阻箱、热敏电阻、毫安表与电源串联形成测量电路，如图所示．

【变式探究】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为40～50Ω.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，其他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（0～10Ω）、开关、导线若干．

（1）图5中，a、b、c三条图线能反映出热敏电阻的伏安特性曲线的是________．

图5

（2）在虚线框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小．

（3）根据电路图，在图6中的实物图上连线．

图6

答案　

（1）c　

（2）、（3）见解析图

（3）实物连线如图所示

高频考点二　光电传感器的应用

例5．（多选）如图7所示为光敏电阻自动计数器的示意图，图中虚线表示激光，圆柱体表示随传送带运动的货物，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是（　　）

图7

A．当光照射R1时，信号处理系统获得高电压

B．当光照射R1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

答案　BD

【变式探究】一台臭氧发生器P的电阻为10kΩ，当供电电压等于24V时能正常工作，否则不产生臭氧．现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在有光照时为100Ω，黑暗时为1000Ω、允许通过的最大电流为3mA；电源E的电压为36V、内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100Ω、允许通过的最大电流为0.4A；一个开关S和导线若干．臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图8所示．

图8

设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B（电路图画在虚线框内）．

答案　见解析图

【举一反三】为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统．光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx）．某光敏电阻ROS在不同照度下的阻值如表所示：

照度/lx

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

电阻/kΩ

75

40

28

23

20

18

（1）根据表中数据，请在图9给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线，并说明光敏电阻阻值随照度变化的特点．

图9

（2）如图10所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗、照度降低至1.0lx时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图．（不考虑控制开关对所设计电路的影响）

图10

提供的器材如下：

光敏电阻ROS（符号

，阻值见上面表格）

直流电源E（电动势3V，内阻不计）；

定值电阻：

R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ（限选其中之一并在图中标出）

开关S及导线若干．

答案　见解析

高频考点三　传感器在实验中的应用

例3.传感器是把非电学量（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用．有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图11中的虚线框所示，它主要由压力传感器R（电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻）和显示体重大小的仪表

（实质是理想电流表）组成．压力传感器表面能承受的最大压强为1×107Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示．设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8V，取g＝10m/s2.请作答：

图11

压力F/N

0

250

500

750

1000

1250

1500

…

电压R/Ω

300

270

240

210

180

150

120

…

（1）该秤零点（即踏板空载时）的刻度线应标在电流表刻度盘______A处．

（2）如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20mA，这个人的质量是______kg.

答案　

（1）1.6×10－2　

（2）50

【变式探究】如图13所示装置可以用来测量硬弹簧（即劲度系数较大的弹簧）的劲度系数k.电源的电动势为E，内阻可忽略不计；滑动变阻器全长为L，重力加速度为g.

为理想电压表．当木板上没有放重物时，滑动变阻器的触头位于图中a点，此时电压表示数为零．在木板上放置质量为m的重物，滑动变阻器的触头随木板一起下移．由电压表的示数U及其他给定条件，可计算出弹簧的劲度系数k.

图13

（1）写出m、U与k之间所满足的关系式．

（2）已知E＝1.50V，L＝12.0cm，g取9.80m/s2.测量结果如下表：

m/kg

1.00

1.50

3.00

4.50

6.00

7.50

U/V

0.108

0.154

0.290

0.446

0.608

0.740

①在图14中给出的坐标纸上利用表中数据描出m－U直线．

图14

②m－U直线的斜率为________kg/V（结果保留三位有效数字）；

③弹簧的劲度系数k＝________N/m（结果保留三位有效数字）．

答案　

（1）m＝

U　

（2）①见解析图　②10.0　③1.23×103

解析　

（1）设放置质量为m的物体时弹簧的压缩量为x，则有mg＝kx又U＝

E

解得m＝

U.

押题专练

1．美国科学家WillardS．Boyle与GeorgeE．Smith因电荷耦合器件（CCD）的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖．CCD是将光学量转变成电学量的传感器．下列器件可作为传感器的有（　　）．

A．发光二极管B．热敏电阻

C．霍尔元件D．干电池

答案　BC

2．2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”，基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用．在下列有关其他电阻应用的说法中，错误的是（　　）．

A．热敏电阻可应用于温度测控装置中

B．光敏电阻是一种光电传感器

C．电阻丝可应用于电热设备中

D．电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用

解析　电阻在电路中对直流电和交流电都有阻碍作用，将电能转换为热能，故D项错．

答案　D

3．如图2所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场．在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容（耦合电容），四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置．由以上信息可知（　　）．

图2

A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指

B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大

C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小

D．如果用带了手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作

答案　AB

4.如图3所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化是________，发生这一现象的主要原因是________（填字母代号）．

图3

A．小灯泡的电阻发生了变化

B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化

C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化

D．电源的电压随温度发生了变化

解析　电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，根据闭合电路欧姆定律I＝

可知，电流减小，小灯泡的实际功率减小，所以变暗．

答案　变暗　C

5．热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究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.将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，其他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．

图4

（1）在图4（a）中画出实验电路图．

（2）根据电路图，在图4（b）所示的实物图上连线．

（3）简要写出完成接线后的主要实验步骤．

解析　

图甲

常温下待测热敏电阻的阻值（约4～5Ω）较小，应该选用安培表外接法．热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，热敏电阻两端的电压由零逐渐增大，滑动变阻器选用分压式．

（1）实验电路如图甲所示．

（2）根据电路图，连接实物图如图乙所示．

图乙

答案　见解析