实验传感器的简单应用概述.docx

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实验传感器的简单应用概述

第5讲实验：

传感器的简单应用

★考情直播

1、考纲要求

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。

2、考点整合

（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。

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：

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UH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L2，则：

根据电流的微观解释I＝nqSv，

整理后，得：

令

，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：

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

A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压

B．当有光照射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

[解析]当光照射到光敏电阻R1上时，R1电阻减小，电路中电流增大．R2两端电压升高，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．

★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。

实验次数

I（A）

B（×10－3T）

1

0.5

0.62

2

1.0

1.25

3

1.5

1.88

4

2.0

2.51

5

2.5

3.12

（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dm，已知冲击电流计的磁通灵敏度为Dφ，Dφ＝

，式中

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）

，

（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=

，由法拉第电磁感应定律可知电动势的平均值ε＝

。

（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

B.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．①③　　　B．①④　　　C．②③　　D．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，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。

方向变化

D．琴弦振动时，线圈中产生的感应电流大小和方向都会发生变化

1．答案：

D

解析：

因为琴弦是来回振动的,由右手定则可以判定其感应电流的方向会变化,琴弦的速度大小也在不断改变,所以感应电流大小也是变化的。

2．（2008·广州）下列说法中正确的是

A.机械式鼠标器中光传感器就是两个红外接收管，它的作用就是光信号（红外线脉冲）转换成电信号（电脉冲）

B.机械式鼠标器中光传感器是由两个滚轴，两个码盘，两个红外线发射管（LED）和两个红外接收管组成的

C.火灾报警器中光传感器是光电三极管，它的作用也是把光信号转换成电信号

D.火灾报警器是利用烟雾对光的散射作用来工作的

2．答案：

ACD

解析:

机械式鼠标器中光传感器是由一个滚球,两个滚轴，两个码盘，两个红外线发射管（LED）和两个红外接收管组成的;火灾报警器中光传感器是光电三极管,平时光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管，其电阻变小，与传感器连接的电路检测发出这种变化，就会发出警报。

3.如图是一种风速仪示意图，试回答下列问题：

（1）有水平风吹来时磁体如何转动？

（自上往下看）。

（2）为什么能用它测定风速大小？

。

3．答案：

（1）逆时针转动。

（2）风速越大磁体转速越大，线圈中磁通量变化率越大，根据法拉第电磁感应定律，感应电动势越大，感应电流就越大，则可从电流计中读出风速的大小。

4、（2008·深圳）现代汽车在制动时，有一种ABS系统，它能阻止制动时车轮抱死变为纯滑动。

这种滑动不但制动效果不好，而且易使车辆失去控制。

为此需要一种测定车轮是否还在转动的装置。

如果检测出车轮不再转动，就会自动放松制动机构，让轮子仍保持缓慢转动状态。

这种检测装置称为电磁脉冲传感器，如图甲，B是一根永久磁铁，外面绕有线圈，它的左端靠近一个铁质齿轮，齿轮与转动的车轮是同步的。

图乙是车轮转动时输出电流随时间变化的图象。

（1）说明为什么有电流输出？

（2）若车轮转速减慢了，图象会变成怎样？

（画在图乙上）

4．答案：

（1）当齿轮上的齿靠近线圈时，由于磁化使永久磁体磁场增强，产生感应电流，齿轮离开时产生反方向的感应电流。

（2）车轮转速减慢，电流变化频率变小，周期变大，电流值变小。

如图所示。

5．（2006·上海）唱卡拉OK用的话筒，内有传感器。

其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。

下列说法正确的是（   ）

 A.该传感器是根据电流的磁效应工作的

 B.该传感器是根据电磁感应原理工作的

 C.膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变

D.膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势

5．[答案]B 

[解析]声波使膜片前后振动时会带动轻小的金属线圈在磁场中运动使得穿过它的磁通量发生变化，从而产生感应电流。

6.07-08学年度徐州市六县一区摸底考试1．用计算机辅助实验系统（DIS）做验证牛顿第三定律的实验，如图所示是把两个测力探头的挂钩钩在一起，向相反方向拉动，观察显示器屏幕上出现的结果。

观察分析两个力传感器的相互作用随着时间变化的曲线，以下结论错误的是（）

A．作用力与反作用力作用在同一物体上

B．作用力与反作用力同时存在，同时消失

C．作用力与反作用力大小相等

D．作用力与反作用力方向相反

6．[答案]A

[解析]牛顿第三定律中作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在一条直线上，作用在两个物体上。

作用力和反作用力同时产生，同时消失。

故选项A说法错误，应选A。

7.南京市2008届第一次模拟考试9．利用传感器和计算机可以测量快速变化的力的瞬时值，如图所示是用这种方法获得的弹性细绳中拉力F随时间t变化的图线．实验时，把小球举到悬点O处，

然后放手让小球自由落下，由图线所提供的信息可以判断（）

A．绳子的自然长度为

B．t2时刻小球的速度最大

C．t1时刻小球处在最低点

D．t1时刻到t2时刻小球的速度先增大后减小

7．[答案]AD

8.徐州市07—08学年度第三次质量检测6．下列说法正确的是（）

A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号

B．楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮，说明它的控制电路中只有声传感器

C．电子秤所使用的测力装置能将受到的压力大小的信息转化为电信号

D．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

8．[答案]CD

9.江苏淮安市07—08学年度第一次调查测试9．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有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（a）所示．将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图（b）所示．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，小车做加速度变大的直线运动

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

9．[答案]BD

10．江苏省南通市08届第一次基础调研测试8．下列说法正确的是（）

A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号

B．楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮，说明它的控制电路中只有声传感器

C．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

D．电子秤所使用的测力装置是温度传感器

10．[答案]AC

◇基础提升训练

1．如图6－3－3所示为实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在小车上，C为小车的车轮．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，由电路记录和显示．若实验显示单位时间的脉冲数n，累积脉冲数为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＝＿＿＿＿＿＿＿＿．

1.答案:

车轮的半径R和齿轮的齿数P：

2πRn/P　　2πRN/P

解析:

小车的速度等于车轮的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，已经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n/P．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k＝n/P．

由以上两式可得：

v＝2πRn/P．

同理，设车轮转动的累积圈数为k，则有s=2πRk，，且k＝N/P，所以s＝2πRN/P

可见，要测小车的速度v和行程s，必需测出单位时间的脉冲数n和累积脉冲数N，车轮半径R和齿轮的齿数P．

2．现有热敏电阻、电路丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和若干导线.如图6－4－1所示，试设计一个控温电路.要求温度低于某一温度时，电路丝自动通电供热，超过某一温度时，又自动断电，画出电路图说明工作原理.

2．答案：

（1）电路图如图6－4－2所示．

（2）工作过程，闭合S，当温度低于设计值时，热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能使它工作，K接通电炉丝加热，当温度达到设计值

时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止加热，当温度低于设计值，又重复前述过程．

解析：

发热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路．]

3．图1为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感）的I－U关系曲线图.

（1）为了通过测量得到图1所示I－U关系的完整曲线，在图2和图3两个电路中应选择的是图______；简要说明理由：

　　　.（电源电动势为9V，内阻不计，滑线变阻器的阻值为0-100Ω）.

（2）图4电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1=250Ω，由热敏电阻的I－U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为______V；电阻R2的阻值为______Ω.

（3）举出一个可以应用热敏电阻的例子：

　　　　　　　　　　　　　                                      　　　　　.

3．[答案]

（1）2；图2电路电压可从0V调到所需电压，调节范围较大.（或图3电路不能测得0V附近的数据）

（2）5.2；111.8（111.6－112.0均给分）

（3）热敏温度计（提出其他实例，只要合理均给分）

[解析]）为了通过测量得到图1所示I－U关系的完整曲线，滑动变阻器要采用分压式电路，且该热敏电阻的阻值比较小，测量电路应接成外接法。

4.江苏泰州市07～08学年度第二学期期初联考7．如图是电熨斗的结构图，下列说法正确的是（）

A．双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属

B．常温下，上下触点接触；温度过高时，双金

属片发生弯曲使上下触点分离

C．需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升

降螺丝下移并推动弹性铜片下移

D．双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断

4．[答案]BCD

5.南京师大物理之友电学综合

（一）9．

氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化．在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察电压表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标．有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的是电导（即电阻的倒数）一CO浓度曲线，如图乙所示．在下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图象中正确的是（）

5．[答案]D

解：

一氧化碳浓度c增大，电导增大，电阻

减小，U0增大,一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系是正相关关系，但不是正比关系。

选项D正确。

6.南京金陵中学07—08学年一轮复习检测

（一）15．（16分）有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线所示，它主要由三部分构成：

踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R（一个阻值可随压力大小而变化的电阻器）、显示体重的仪表G（其实质是电流表）。

其中AO：

BO=5：

1。

已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：

压力F/N

0

50

100

150

200

250

300

……

电阻R/

300

270

240

210

180

150

120

……

设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.68V，则：

（1）利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；

（2）该秤零刻度线（即踏板空载时的刻度线）应标在电流表刻度盘多少毫安处？

（3）如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20mA，这个人的体重是多少？

6．[答案]

（1）R=300－0.6F（

）；

（2）15.6mA

（3）550N.

解析：

（1）由表中数据可归纳得出：

R=300－0.6F（

）

（2）依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为0，由表可知，此时压力传感器的电阻R1=300

，电路中的电流为

，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6mA处。

（3）当电流表刻度盘的读数为I2=20毫安时，压力传感器的电阻

，

由R=300－0.6F，算得F2=110N，

再由F2·AO=G·BO得G=550N

7.08年福建省毕业班质量检查20．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小。

某实验小组在升降机水平地面上利用压敏电阻设计了判断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、定值电阻R、电流显示器、电源E连成电路，在压敏电阻上放置一个绝缘重物。

0～t1时间内升降机停在某一楼层处，t1时刻升降机开始运动，从电流显示器中得到电路中电流i随时间t变化情况如图乙所示。

则下列判断正确的是（）

A．

时间内绝缘重物处于超重状态

B．

时间内绝缘重物处于失重状态

C．升降机开始时可能停在10楼，从

时刻开始，经向下加速、匀速、减速，最后停在1楼

D．升降机开始时可能停在1楼，从

时刻开始，经向上加速、匀速、减速，最后停在10楼

7．[答案]C

8.北京市海淀区高三物理二模反馈题18A．将如图所示装置安装在沿直轨道运动的火车车厢中，使杆沿轨道方向固定，就可以对火车运动的加速度进行检测。

闭合开关S，当系统静止时，穿在光滑绝缘杆上的小球停在O点，固定在小球上的变阻器滑片停在变阻器BC的正中央，此时，电压表指针指在表盘刻度中央。

当火车在水平方向有加速度时，小球在光滑绝缘杆上移动，滑片P随之在变阻器上移动，电压表指针发生偏转。

已知，当火车向左加速运动时，电压表的指针向右偏。

则（）

A．电压表指针向左偏，说明火