届二轮复习传感器及其应用学案.docx

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届二轮复习传感器及其应用学案

传感器及其应用

知能图谱

知识能力解读

知能解读

（一）传感器

1定义

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。

2结构

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。

其各部分的作用如下：

（1）敏感元件：

相当于人的感觉器官，直接感受非电学量，并将其转换成与非电学量成一定关系的易于测量的物理量，它的作用就是获取信息。

（2）转换元件：

将敏感元件输出的物理量转换为电学量输出。

（3）转换电路：

是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等。

3原理

传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流等。

这些输出信号是非常微弱的，通常

要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，其原理图如下：

非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量

4作用

将各种信息转换为电信号或将不便于测量的物理量转换为便于测量的电压或电流等电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。

知能解读

（二）传感器中常见的敏感元件

1光敏电阻

（1）光敏电阻是一种能把光照强弱转换为电阻大小这个电学量的元件。

（2）特点：

光敏电阻的阻值大小与光照的强弱有关，光照强度越大，电阻越小。

2热敏电阻与金属热电阻

（1）热敏电阻与金属热电阻是一种可以把温度这个非电学量转换为电阻这个电学量的元件。

（2）特点：

热敏电阻与金属热电阻的阻值大小都与温度的高低有关。

热敏电阻在高温时，电阻值很小；在低温时，电阻值较大。

一般的金属，温度越高时电阻越大。

知能解读（三）传感器的麻用应用

1温度传感器的应用——电熨斗

（1）构造：

如图所示。

（2）原理：

常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片上下部分受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而断开电源，停止加热。

温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。

2力传感器的应用——电子秤

（1）构造：

常见的力传感器是由金属梁和应变片组成的。

（2）原理：

如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。

F越大，形变量越大，应变片的电阻变化就越大。

如果让应变片中的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小。

传感器把这两个电压的差值输出。

外力越大，输出的电压差值也就越大。

应变片把物体形变这个力学量

转换为电压这个容易测量的电学量。

（3）应用：

电子秤，测量其他各种力。

3声传感器的应用——话筒

（1）话筒的作用：

话筒是一种传感器，能将声信号转换为电信号。

（2）原理：

（以电容式话筒为例）

如图所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。

当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。

（3）优点：

保真度比动圈式话筒好。

4光传感器的应用——火灾报警器

有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的。

如图所示，其带孔的罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。

平时光电三极管接收不到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上，其电阻变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。

方法技巧归纳

方法技巧传感器在实际问题中的应用

方法指导以传感器为桥梁可以将多方面物理知识整合在一起，在实际问题中，涉及知识点较多，综合性较强，突破点在于弄清传感器的工作原理及过程，认清电路结构。

传感器种类

敏感元件

与之相联系的物理知识

光电传感器

光敏电阻

直流电路动态分析

温度传感器

热敏电阻

直流电路问题

力传感器

压敏电阻等

力学、运动学与直流电路

电容传感器

电容器

力、运动与含容电路

高考能力练习

一、选择题（本大题共10小题，每小题5分，共50分．在每小题给出的四个选项中，有的只有一个选项符合题目要求，有的有多个选项符合题目要求，全部选对的得5分．选不全的得3分，有选错或不答的不得分）

1．（多选）下列说法正确的是（　　）

A．热敏电阻是把热量这个热学量转为电阻这个电学量

B．金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差

C．电熨斗中的双金属片是温度传感器

D．霍尔元件是能够把磁学量磁感应强度转换为电压的传感元件

【解析】　热敏电阻是把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，A错误，B、C、D正确．

【答案】　BCD

2．（多选）当前传感器被广泛应用于各种电器、电子产品之中，下述关于常用的几种家用电子器件所采用传感器说法中，正确的是（　　）

A．电视机对无线遥控信号的接收主要是采用了光电传感器

B．电子体温计主要是采用了温度传感器

C．电脑所用的光电鼠标主要是采用声波传感器

D．电子秤主要是采用了力电传感器

【解析】　电视机对无线遥控信号的接收采用了红外线传感器，电脑所用的光电鼠标主要采用了光传感器，所以A、C项错误．

【答案】　BD

3．2007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】　本题考查了基本物理知识．热敏电阻可应用于温度测控装置中，A说法正确；光敏电阻是将光信号转换为电信号的传感器，B说法正确；电阻丝中通过电流时会产生热效应，可应用于电热设备中，C说法正确；电阻对直流和交流均起到阻碍的作用，D说法错误．

【答案】　D

4．某仪器内部电路如图1所示，其中M是一个质量较大的金属块，左右两端分别与金属丝制作的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上，a、b、c三块金属片间隙很小（b固定在金属块上），当金属块处于平衡状态时，两根弹簧均处于原长状态，若将该仪器固定在一辆汽车上，下列说法正确的是（　　）

图1

A．当汽车加速前进时，甲灯亮

B．当汽车加速前进时，乙灯亮

C．当汽车刹车时，乙灯亮

D．当汽车刹车时，甲、乙两灯均不亮

【解析】　汽车匀速时，a、b、c金属片不接触，所以甲、乙灯都不亮；当加速前进时，M受合外力向右，故b向后运动与a接触，乙灯亮；同理当刹车时，b向前运动与c接触，甲灯亮，故选B.

【答案】　B

5．（多选）有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图2所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是（　　）

图2

A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻

B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻

C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻

D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻

【解析】　一般定值电阻的阻值不会随光照强度或温度的变化而变化太大；对于热敏电阻来说，热敏电阻的阻值会随温度的升高而逐渐变小，它对温度的反应是十分灵敏的；对于光敏电阻来说，它的阻值随光照强度的变化而变化，当光照强度增强时光敏电阻的电阻值会随之而减小．本题是采用用黑纸包裹和放入热水中两个条件来改变电阻周围的环境的．不管放入热水中还是用黑纸包裹，一般电阻的阻值都不会发生太大变化；若电阻是光敏电阻，则当用黑纸包裹电阻时欧姆表的示数会有明显的改变；而当电阻是热敏电阻时，当把电阻放在热水中时，电阻值会发生明显的变化．所以本题答案是A、C.

【答案】　AC

6．（多选）如图3是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为103℃时，下列说法中正确的是（　　）

图3

A．常温下感温磁体具有较强的磁性

B．当温度超过103℃时，感温磁体的磁性较强

C．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103℃，这时开关按钮会跳起

D．常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103℃，开关按钮就不会自动跳起

【解析】　感温磁体在常温下磁性较强，当温度超过“居里温度”时会突然失去磁性，A项正确，B项错误；只要锅底的温度超过103℃，感温磁体就失去磁性，开关按钮会跳起，但常压下烧水，不会超过103℃.所以水开后开关按钮不会自动跳起，要想自动跳起，只有水被烧干后，C项、D项正确．

【答案】　ACD

7．如图4是电熨斗的结构图，下列说法不正确的是（　　）

图4

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

【解析】　由电路可知：

温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离，因此双金属片上层金属的膨胀系数应大于下层金属，A错、B对；需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，双金属片虽发生弯曲也不使触点分离，应使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移，C对；利用双金属片热胀冷缩是控制电路的通断，D对．

【答案】　A

8．在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图5所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能．对此，以下判断正确的是（　　）

图5

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t1不变

④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变

A．①③　　B．②③　　C．②④　　D．①④

【解析】　当电热灭蚊器温度由0升到t1的过程中，电阻器的电阻率ρ随温度升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，由P＝

知灭蚊器的热功率P逐渐增大，当t＝t1时，P＝P1达到最大．当温度由t1升高到t2的过程中，ρ增大，R增大，P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P′也就越大；因此在这之间的某一温度t3会有P＝P3＝P′，电热功率等于散热功率，即达到保温．当t＜t3，P＞P′，使温度自动升高到t3；当t>t3，P

【答案】　D

图6

9．传感器是一种采集信息的重要器件．如图6所示为测定压力的电容式传感器，A为固定电极，B为可动电极，组成一个电容大小可变的电容器．可动电极两端固定，当待测压力施加在可动电极上时，可动电极发生形变，从而改变了电容器的电容．现已知该电容式传感器充电完毕且电荷量不变，将它与静电计相连，如图所示．当待测压力增大时（　　）

A．电容器的电容将增大，静电计指针偏角将增大

B．电容器的电容将增大，静电计指针偏角将减小

C．电容器的电容将减小，静电计指针偏角将减小

D．电容器的电容将不变，静电计指针偏角不变

【解析】　本题考查电容器、传感器等有关知识当压力增大时，平行板间距d减小，根据C＝

可知，电容器的电容增大，电容器所带电荷量Q不变，根据C＝

可知，电压减小，则静电计指针偏角减小，B正确．

【答案】　B

10．（多选）振弦型频率传感器的结构如图7所示，它由钢弦和永磁铁两部分组成，钢弦上端用固定夹块夹紧，下端的夹块与一膜片相连接，当弦上的张力越大时，弦的振动频率越大．这种装置可以从线圈输出电压的频率确定膜片处压力的变化．下列说法正确的是（　　）

图7

A．当软铁块与磁铁靠近时，a端电势高

B．当软铁块与磁铁靠近时，b端电势高

C．膜上的压力较小时，线圈中感应电动势的频率高

D．膜上的压力较大时，线圈中感应电动势的频率高

【解析】　当铁块靠近磁铁时，铁块被磁化，线圈中的磁通量增加，根据楞次定律可知，感生电流的磁场方向应与原磁场变化方向相反，因此b端电势比a端电势高，选项B正确；膜上压力越小时，钢弦上的张力越大，振动频率越高，线圈中感应电动势的频率越高，所以选项C正确．

【答案】　BC

二、填空题（本题共3小题，共20分，把答案填在题中的横线上）

11．（6分）广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中的温度传感器，是利用热敏电阻随温度变化而变化的特性工作的．在图8甲中，电源的电动势E＝9.0V，内电阻可忽略；G为内阻不计的灵敏电流表；R0为保护电阻；R为热敏电阻，其电阻值与温度变化关系如图8乙的Rt图象所示．则热敏电阻R与摄氏温度t的关系为R＝________；闭合开关S，当R的温度等于40℃时，电流表示数I1＝2.25mA，则当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻R的温度是________℃.

图8

【解析】　根据图乙直线的特点求出热敏电阻R与摄氏温度t的关系，设R＝kt＋b，根据t＝0时，R＝4.25kΩ（此处易误读为R＝4.5kΩ，要小心），得b＝4.25kΩ，再根据t＝120℃时，R＝2kΩ，得k＝

＝－0.01875，所以得R与t的关系为R＝－1.875×10－2t＋4.25.

由图甲，有E＝I（R＋R0），由图乙读出，当t＝40℃时，R＝3.5kΩ，代入得9＝2.25×（3.5＋R0），可求出R0＝0.5kΩ，又有9＝3.6×（0.5＋R），解得R＝2kΩ，查题图乙得t＝120℃.

【答案】　－1.875×10－2t＋4.25　120

12．（6分）如图9（a）是汽车过桥时对不同类型桥面压力变化的实验．采用DIS方法对模型进行测量，其结果如图9（b）中电脑屏幕所示．

图9

（1）图（a）中的传感器为________传感器；

（2）图（a）中甲、乙、丙分别为三种不同类型的桥面．对于凸形桥甲，其相对应的压力图线应是图（b）电脑屏幕上的________（填“a”“b”或“c”）；

（3）如增大小球在斜槽上的高度，在图（b）中大致画出小球能过凸形桥甲时的压力图线．

【解析】　

（1）该传感器把力信号转化为电信号，属于力电传感器；

（2）小球经过凸形桥甲的最高点时，压力小于重力，其相对应的图线应是电脑屏幕上的c；（3）增大小球在斜槽上的高度，小球经凸形桥甲的最高点时压力更小，其图线与c相比较，最低点应更低一些．

【答案】　

（1）力电　

（2）c　（3）图略，图线与c相比较，最低点更低一些

13．（8分）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．现在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10所示．设计一个满足上述要求电路图，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.（电路图画在方框内）

图10

【解析】　臭氧发生器正常工作时电流I＝

A＝24×10－4A＝2.4mA.R1允许通过的最大电流为3mA，所以用R1与P串联，由于滑动变阻器值R2远小于P的电阻，所以采用滑动变阻器分压式接法．电路如图所示．

【答案】　见解析

三、计算题（本题共3小题，共30分．解答时应写出必要的文字说明、方程式和演算步骤，有数值计算的要注明单位）

14．（8分）用煤气烧水时，如果水开了，不及时关掉煤气，时间长了，会发生火灾，请设计一报警器，水开时，能及时报警，

提醒主人及时关掉煤气？

【解析】　如图所示，当t上升到一定温度时，Rt变得较小，AB间电压变得较大，使蜂鸣器D工作报警．

【答案】　见解析

图11

15．（10分）在航天事业中要用角速度计测得航天器的自转角速度ω，结构如图11所示，当系统绕轴OO′转动时元件A在光滑杆上发生滑动，并输出电信号，成为航天器的制导信号源，已知A质量为m，弹簧的劲度系数为k，原长为l0，电源电动势为E，内阻不计，滑动变阻器总长为l，电阻分布均匀，系统静止时滑动变阻器触头P在中点，与固定接头Q正对，当系统以角速度ω转动时，求：

（1）弹簧形变量x与ω的关系式．

（2）电压表示数U与角速度ω的关系式．

【解析】　

（1）由圆周运动规律知kx＝mω2R＝mω2（l0＋x）

即kx－mω2x＝mω2l0，所以x＝

.

（2）由串联电路的规律知U＝

E＝

.

【答案】　

（1）x＝

（2）U＝

16．（12分）图12（甲）为某同学研究自感现象的实验电路图，用电流传感器显示各时刻通过线圈L的电流．电路中电灯的电阻R1＝6.0Ω，定值电阻R＝2.0Ω，AB间电压U＝6.0V．开关S原来闭合，电路处于稳定状态，在t1＝1.0×10－3s时刻断开开关S，此时刻前后电流传感器显示的电流随时间变化的图线如图12（乙）所示．

图12

（1）求出线圈L的直流电阻RL；

（2）指出图（甲）中断开开关后通过电灯的电流方向；

（3）在t2＝1.6×10－3s时刻线圈L中的感应电动势的大小是多少？

【解析】　

（1）由图读出，开始时流过电感线圈L的电流I0＝1.5A

由欧姆定律I0＝

，解得RL＝

－R＝2Ω.

（2）电流方向向左．

（3）由图读出，t2＝1.6×10－3s时刻线圈L的电流I＝0.30A

线圈L此时是一个电源，

由全电路欧姆定律E＝I（RL＋R＋R1），得E＝3.0V.

【答案】　

（1）2Ω　

（2）电流方向向左　（3）3.0V