知识讲解 传感器及其应用（应用实例）

1 传感器及其应用（应用实例） 【学习目标】 1．传感器的传感元件是如何将非电学量转化电学量的。 　　2．传感器的应用模式：如如何实现信号的放大、转换显示和执行等。（这些内容限于高 中水平只要求了解，不要求理解或掌握） 【要点梳理】 知识点一、温度传感器的应用——电饭锅 1．感温铁氧体 （1）组成：氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末。 （2）特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约 时，失去铁磁性。 （3）居里点：又称居里温度，即指 。 2．电饭锅的结构 如图所示： 3．电饭锅的工作原理 开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到 图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内水保持 不变，故感温 磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，温度升至 居里点 时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电 源从而停止加热。 要点诠释：如果用电饭锅烧水，在水沸腾后因为水温保持在 ，故不能自动断电， 只有水烧干后，温度升高到 才能自动断电。 知识点二、温度传感器的应用——测温仪 1．常见测温元件：热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等。 2．温度传感器测温仪的优点：可以远距离读取温度的数值，因为温度信号变成电信号 后可以远距离传输。 知识点三、光传感器的应用 1．机械式鼠标：其内部组成如图所示，包括滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接 收管（光传感器）。 103℃ 103℃ 100℃ 103℃ 100℃ 103℃2 工作原理：鼠标器移动时，滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到 断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计 两个方向的脉冲信号， 处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。 2．火灾报警器 如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器。 带孔的罩子内装有发光二极管 、光电三极管和不透明的挡板。平时，光电三极管 收不到 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。 要点诠释：常见的光传感器：光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等。 知识点四、常见传感器的应用实例 1．生活中的传感器 （1）与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都 用到温度传感器。 （2）红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、 防火报警器等。 （3）照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器。 2．农业生产中的传感器 （1）湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水。 （2）温度传感器和湿度传感器，可对上百个点进行温度和湿度监测。由于有了十分先 进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象。 3．工业生产中的传感器 （1）生产的自动化和半自动化。用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线 或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作。各种传感器使生产的自动运 行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等。 （2）在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而 实现对零部件的精密加工。 4．飞向太空的传感器 在航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中， x y、 LED LED3 都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用。这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发 送信息、收集太空数据等都有重要作用。在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况 的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等。 知识点五、光控开关 1．斯密特触发器 当输入端电压逐渐上升到某一个值（ ）时，输出端会突然突然从高电平跳到低电 平（ ），当输入端电压下降到另一个值（ ）时，输出端会从低电平跳到高电平 （ ）。 2．工作原理 对于如图所示的光控电路： 白天，光强度较大，光敏电阻 电阻值较小，加在斯密特触发器 端的电压较低，则 输出端 输出高电压，发光二极管 不导通；当天色暗到一定程度时， 的阻值增大 到一定值，斯密特触发器的输入端 的电压上升到某个值（ ），输出端 突然从高电 平跳到低电平，则发光二极管 导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天 明熄灭，天暗自动开启的目的。 要点诠释：要想在天更暗时路灯才会照亮，应该把 的阻值调大些，这样要使斯密特 触发器的输入端 电压达到某个值（如 ），就需要 的阻值达到更大，即天色更暗。 3．课本图乙电路分析 由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯模仿路灯，就要使用继电器来启闭供电 电路，如图所示。灯泡可用“ ”的，继电器可以使用 型微型继电器以 便能够插在实验板上。图中 为继电器，工作电压为 ， 为它的常开触点。 要点诠释：（1）二极管具有单向导电性，在电路中不能反接，否则电磁继电器将不能 正常工作。 1.6 V 0.25 V 0.8 V 3.4 V GR A Y LED GR A 1.6 V Y LED 1R A 1.6 V GR 6V0.3A HRS1H S− J 5 V aJ4 （2）图中 与 是相互联系的整体。 （3）在控制电路中之所以并联一只二极管，是为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中 的自感电动势损坏集成电路。二极管的存在可以提供自感电流的通路。 知识点六、温度报警器 电路原理如图所示，常温下，调整 的阻值使斯密特触发器的输入端 处于低电平， 输出端 处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻 阻 值减小，斯密特触发器输入端 电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳 到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声， 的阻值不同，则报警温度不同。 要点诠释：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小 的阻值， 阻值越 小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。 知识点七、一些元器件的原理和使用 1．普通二极管和发光二极管 （1）都具有单向导电性。 （2）发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光。普通的发光二极管是用磷 化镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能，该类发光二极管的正向导通电 压大于 。 2．晶体三极管 （1）晶体三极管能够把微弱的信号放大。晶体三极管的三极分别是发射极 、基极 和集电极 。 （2）传感器输出的电流或电压很微弱，用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三 极管的放大作用表现为基极 的电流对集电极 的电流起了控制作用。 3．逻辑电路 （1）对于与门电路，只要一个输入端输入为“ ”，则输出端一定是“ ”；反之，只 有当所有输入端都同时为“ ”，输出端才是“ ”。 （2）对于或门电路，只要有一个输入端输入为“ ”，则输出端一定是“ ”；反之，只 有当所有输入端都为“ ”时，输出端才是“ ”。 （3）非门电路中，当输入端为“ ”时，输出总是“ ”；当输入端为“ ”时，输出 端反而是“ ”。非门电路也称反相器。 （4）斯密特触发器是具有特殊功能的非门。 【典型例题】 J aJ 1R A Y TR A 1R 1R 1R 1.8 V e b c b c 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 05 类型一、温度传感器的应用 例 1．如图所示是电饭煲的电路图， 是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达 到居里点（ ）时，会自动断开， 是一个自动控温开关，当温度低于 时，会自 动闭合；温度高于 时，会自动断开，红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯， 分流电阻 ，加热电阻丝 ，两灯电阻不计。 （1）分析电饭煲的工作原理。 （2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。 （3）简要回答，如果不闭合开关 ，能将饭煮熟吗？ 【思路点拨】先搞清楚 、 两控温开关的作用，在明确控温过程。 【答案】见解析 【解析】本题考查了温度传感器的实际应用，解题关键是清楚 、 两控温开关的作 用。 （1）电饭煲盛上食物后，接上电源， 自动闭合，同时手动闭合 ，这时黄灯短路， 红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到 时， 自动断开， 仍闭合；水烧开后，温 度升高到居里点 时，开关 自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状 态，由于散热，待温度降至 时， 自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到 时， 又自动断开，再次处于保温状态。 （ 2 ） 加 热 时 电 饭 煲 消 耗 的 电 功 率 ， 保 温 时 电 饭 煲 消 耗 的 电 功 率 ，两式中 1S 103℃ 2S 70℃ 80℃ 1 2 500ΩR R= = 3 50ΩR = 1S 1S 2S 1S 2S 2S 1S 80℃ 2S 1S 103℃ 1S 70℃ 2S 80℃ 2S 2 2 UP R = 并 2 2 1 UP R R = + 并6 。 从而有 。 （3）如果不闭合开关 ，开关 总是闭合的， 被短路，功率为 ，当温度上升到 时， 自动断开，功率 降为 ，温度降低到 ， 自动闭合……温度只能在 之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。 【总结升华】熟悉电饭煲的工作原理，明确控温过程是解题的关键。 例 2．(2016 北京四中三模)如图所示，一热敏电阻 RT 放在控温容器 M 内；A 为毫安 表，量程 6 mA，内阻为数十欧姆；E 为直流电源，电动势约为 3 V，内阻很小；R 为电阻箱， 最大阻值为 999.9 Ω，S 为开关。已知 RT 在 95 ℃时的阻值为 150 Ω，在 20 ℃时的阻值 约为 550 Ω。现要求在降温过程中测量在 20～95 ℃之间的多个温度下 RT 的阻值。 (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： a．依照实验原理电路图连线。 b．调节控温容器 M 内的温度，使得 RT 的温度为 95 ℃。 c．将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全。 d．闭合开关。调节电阻箱，记录电流表的示数 I0，并记录________。 e．将 R T 的温度降为 T1(20 ℃＜T 1 ＜95 ℃)；调节电阻箱，使得电流表的读数 ________，记录________。 f．温度为 T1 时热敏电阻的电阻值 RT1＝________。 g．逐步降低 T1 的数值，直到 20 ℃；在每一温度下重复步骤 ef。 【答案】(1)见解析 (2)d.电阻箱的读数 R0；e．仍为 I0　电阻箱的读数 R1；f．R0－R1＋150 Ω 【解析】(1)电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大，因此电阻箱应与热敏 电阻串联。如图： 2 3 2 2 3 500 50 500 500 50 11 R RP R R ×= = Ω = Ω+ + 11 2 500500 11 12500 11 R RP P R ++= = =并 并 1S 2S 1R 1P 80℃ 2S P 2P 70℃ 2S 70 80℃～ ℃7 (2)本实验原理是当电路的两种状态的电流相等时，外电路的总电阻相等。 95 ℃和 T1 时对应的电路的电阻相等，有 150 Ω＋R0＝RT1＋R1，即 RT1＝R0－R1＋150 Ω。 类型二、光传感器的应用 例 3．如图甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定。电流表内 阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻 的 电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性设计一个自动光控电路。 【思路点拨】由光敏电阻的特性曲线判断：当入射光增强时，光敏电阻的阻值变化，流 过光敏电阻的电流变化。根据题意设计出的路灯自动控制电路。 【答案】如图所示 【解析】由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流 过光敏电阻的电流增大。 根据题意设计的路灯自动控制电路如图所示。 控制过程是：当有光照时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器 吸合使两个常闭触点断开；当无光照时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释 放衔铁，使两个常闭触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作。 【总结升华】光传感器是重要的传感器之一，人们运用硫化镉对可见光敏感的特性，制 作路灯自动开关、光照自动调节装置等自控设备。利用某些半导体材料对红外线敏感的特性， 制作遥控设备，广泛地应用在电视机、录像机、空调、影碟机等家庭用电器的操作中，由于 对红外线敏感的元件对可见光不敏感，用它制作的装置不受可见光影响，因此它的应用十分 广泛。 R8 例 4．如图所示，电源两端的电压恒定， 为小灯泡， 为光敏电阻， 为发光二极 管（电流越大，发出的光越强），且 与 距离不变，下列说法中正确的是 （ ） A．当滑动触头 向左移动时， 消耗的功率增大 B．当滑动触头 向左移动时， 消耗的功率减小 C．当滑动触头 向右移动时， 消耗的功率可能不变 D．无论怎样移动触头 ， 消耗的功率都不变 【答案】A 【解析】本题考查了光敏电阻的特性及电路分析知识。电源电压恒定，也就是说，并联 电路两端的电压恒定，当滑动触头向左移动时，发光二极管发光变强，光敏电阻的电阻变小， 所以电流变大，则 的功率变大。 【总结升华】搞清光敏电阻的特点和注意电源电压是恒定的是解决本题的关键。 类型三、电磁继电器与自动控制 例 5．如图所示为低压控制电路操纵路灯工作的电路，试分析其工作原理。 【思路点拨】先搞清楚电磁继电器的工作原理，再分析控制电路原理。 【答案】见解析 【解析】（1）电磁继电器的工作原理 因集成电路允许通过的电流较小，白炽灯泡工作电流较大，所以使用继电器来启闭工作 电路。如图所示，虚线框内是电磁继电器， 为动触点， 是静触点。当线圈 中通电时， 铁芯中产生磁场，吸引衔铁 向下运动，从而带动触点 向下与 接触，工作电路接通； 当线圈 中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁 在弹簧作用下拉起，带动触点 与 分 离，自动切断工作电路。 （2）控制电路原理 天较亮时，光敏电阻 阻值较小，斯密特触发器输入端 电势较低，则输出端 输出 L R D R D P L P L P L P L L D E A B D E A B D E GR A Y9 高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻 电阻增大，斯密特触发器 输入端 电势升高，当升高到一定值，输出端 由高电平突然跳到低电平，有电流通过线 圈 ，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后， 阻值减小，斯密特 触发器输入端 电势逐渐降低，降到一定值，输出端 突然由低电平跳到高电平，则线圈 不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭。 【总结升华】在控制电路中之所以并联一只二极管，是为了防止电磁继电器释放衔铁时 线圈中的自感电动势损坏集成电路。二极管的存在可以提供自感电流的通路。 举一反三: 【高清课堂：传感器（原理及典型应用）例 7】 【变式】如图甲所示为热敏电阻的 图像，图乙为用热敏电阻 和继电器组成的一 个简单恒温箱温控电路。继电器线圈的电阻为 ，当线圈中的电流大于或等于 时， 继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池电动势 ,内阻不计。图乙中的电源 是恒温箱加热器的电源，则： A.应该把恒温箱内的加热器接在 端 B.应该把恒温箱内的加热器接在 端 C.如果要使恒温箱内的温度保持在 ，可变电阻 的值应调节到 D.如果要使恒温箱内的温度保持在 ，可变电阻 的值应调节到 【答案】AC 类型四、温度报警器 例 6．型号为 的集成块里面有 个非门，其引脚如图甲所示，这种非门由于性 能特别，称为斯密特触发器。当加在它的输入端 的电压逐渐上升到某个值（ ）时， 输出端 会突然从高电平跳到低电平（ ），而当输入端 的电压下降到另一个值的 时候（ ）， 会从低电平跳到高电平（ ）。斯密特触发器可以将连续变化的模拟 信号转换为突变的数字信号，而这正是进行自动控制所必须的。 GR A Y A GR A Y A R t− R 10Ω 20mA 9.0VE = A B、 C D、 50℃ 'R 350Ω 50℃ 'R 360Ω 74LS14 6 A 1.6 V Y 0.25 V A 0.8 V Y 3.4 V10 现用斯密特触发器与热敏电阻 组成温度报警器，电路如图乙所示，图中蜂鸣器可以 选用 或 型，它两端的直流电压为 时会发出鸣叫声； 为热敏电阻， 常温下阻值约几百欧，温度升高时阻值减小。 的最大电阻可在 间选择。 接通电源后，先调节 ，使蜂鸣器在常温下不发声。再用热水使热敏电阻的温度上升， 到达某一温度时就会发出报警声。 请你说明这个电路的工作原理。想一想：怎样能够使热敏电阻在感测到更高的温度时才 报警？ 【答案】见解析 【解析】该电路的工作原理是：常温下，调整 的阻值使斯密特触发器的输入端 处 于低电平，则输出端 处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时， 热敏电阻研阻值减小，斯密特触发器输入端 电势升高，当达到某一值（高电平）时，其 输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声， 的阻值不同，报警温度不 同。 要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小 的阻值， 阻值越小，要使斯 密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。 【总结升华】斯密特触发器是具有特殊功能的非门，常用符号 表示；在逻辑电路中， 经常把电势的高低叫做“电平”的高低，“输出低电平”的意思是，输出端处于低电势的状 态。 类型五、传感器的其他应用 例 7．如图甲所示是一种悬球式加速仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速 度。金属球的质量为 ，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在 点， 是一根长 为 的均匀电阻丝，其阻值为 ，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计；电阻丝的中心 焊拉一根导体丝，从 点引出一根导线，两线之间接入一个电压表 ，金属丝和导线电阻 不计。图中虚线 与 垂直，且 ，电阻丝 接在电压为 的直流稳压电源上， 整个装置固定在列车中，使 沿前进的方向。列车静止时金属丝呈竖直状态，当列车加速 或减速前进时，金属丝偏离竖直方向，从电压表 的读数变化可以测出加速度的大小。 TR YMD HMB 4 V 6 V～ TR 1R 1 kΩ 2 kΩ～ 1R 1R A Y A 1R 1R 1R m O AB L R C O V OC AB OC h= AB U AB V11 （1）当列车向右做匀加速直线运动时，试导出加速度 与电压表读数 的关系式（用 及重力加速度 等表示）。 （2）用导出的 与 的关系式说明表盘上 的刻度是否均匀？ （3） 点设置在电阻丝 中点的原因是________，对电压表的选择有什么特殊要求 ________。 【思路点拨】画出受力图，由牛顿第二定律及几何关系得出加速度与有效电阻丝长度及 高度的的关系，再用电压与电阻的关系，推出加速度 与电压表读数 的关系式（用 及重力加速度 等表示）。分析这个关系得出第二问；考虑加速度的方向 性做出第三问。 【答案】见解析 【解析】（1）设列车加速度为 时，小球偏离竖直方向 角，此时小球受力情况如图乙 所示，根据牛顿第二定律得： ， ① 因为 ② 由①②两式得： ； ③ 又设列车加速度为 时，电压表读数为 ， ， ④ 由④得 ， ⑤ ⑤代入③得 。 ⑥ （2）由⑥式可知， 均为常数，则列车加速度。与电压表读数 成正比， 可将电压表上的刻度一一对应地改成加速度 的数值，因而可知表盘上加速度 的刻度与 电压表上刻度一样是均匀的。 （3）列车可能加速运动也可能减速运动（加速度方向变化）；电压表中间刻度为零。 a U＇ U U L h、 、 、＇ g a U＇ a C AB a U＇ U U L h、 、 、＇ g a θ tanmg maθ = tan DC h θ = DCa g h = ⋅ a U＇ ' DC AB RU DC U R L = = 'U LDC U = 'U La g Uh = ⋅ g L U h、 、 、 U＇ a a12 【总结升华】加速度传感器实际上是变式加速度计，它将加速度信号转化为电压信号输 出，关键要找到加速度与输出电压的关系。 举一反三: 【高清课堂：传感器（原理及典型应用）例 9】 【变式】可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度,其结构如图所示。当系统绕轴 转动时，元件 发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。 已知 的质量为 ，弹簧的劲度系数为 、自然长度为 ，电源的电动势为 、内阻不计。 滑动变阻器总长也为 ，电阻分布均匀，系统静止时 在 点，当系统以角速度 转动时， 试写出输出电压 与 的函数式。 【答案】 【解析】设弹簧伸长 , 则 ． ． 设滑动变阻器单位长度的电阻为 ． ． 例 8．如图所示装置为一监测锅炉内的压力大小的报警器，在压力小于某个安全值时， 绿灯亮；当压力超过安全值时，红灯亮、电铃响，进行报警。试说明其工作原理。 OO′ A A m k l E l P B ω U ω 2 2/( - )U Em k mω ω= x 2= ( )kx m l xω + 2 2= /( - )x m l k mω ω 1r 1 1= / = /xU IR Exr lr Ex l= 2 2/( - )U Em k mω ω=13 【答案】见解析 【解析】当炉内温度超过安全值时，活塞推动金属片使 触点连接，电磁铁通电把衔 铁吸下来，使 点接通，红灯亮，电铃响，从而起到报警作用。 【总结升华】本题关键是看懂电磁继电器电路和指示灯电路，并能分析得到两电路之间 的联系。 举一反三: 【高清课堂：传感器（原理及典型应用）例８】 【变式】如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为 ，内阻不计．不称物体时， 滑片 在 端，滑动变阻器接入电路的有效电阻最大，电流较小；称物体时，在压力作用 下滑片 下滑，滑动变阻器的有效电阻变小，电流变大．这样把电流对应的重力值刻在刻 度盘上，就可以读出被称物体的重力值．若滑动变阻器上 间距离为 ，最大阻值等于 定值电阻的阻值 ，两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为 ，则所称重物的重力 与电流大小 的关系为 ( ) 　　　 A． B. C. D. 【答案】A 1 2、 3 5、 E P A P A B、 L 0R k G I kLIR E-2G 0 ）（= kL1-IR EG 0 ）（= kL1IR EG 0 ）（ += kILG =14 例 9．如图所示是电熨斗温度自动控制装置的示意图。 （1）正常使用时，上、下触点应是分离的还是接触的？ （2）双金属片温度升高时，哪一层形变大？ （3）假设原来温度上升到 时，断开电源，现在要求 时断开电源，应怎样调 节调温旋钮？ 【思路点拨】双金属片是将温度转化为双金属片的形变。 【答案】（1）接触 （2）上层片的形变大 （3）向上调节 【解析】（1）由于常温时电熨斗是通电发热的，故上、下触点必须接通而使电热丝工作。 （2）由于上层金属片的膨胀系数比下层金属片的大，则上层金属片的形变大。 （3）应向上调节调温旋钮，使之减小对双金属片的压力，使双金属片受热时易于和触 点分离断电。 【总结升华】感温双金属片是将温度转化为双金属片的形变，而应力双应变片是将应变 片的形变量转化为电压输出。 举一反三: 【变式】某同学设计的家庭电路保护装置如图所示，铁芯左侧线圈 由火线和零线并 行绕成，当右侧线圈 中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关 ， 从而切断家庭电路，仅考虑 在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有 A．家庭电路正常工作时， 中磁通量为零 B．家庭电路中使用的电器增多时， 中的磁通量不变 C．家庭电路发生短路时，开关 将被电磁铁吸起 D．地面上的人接触火线发生触电时，开关 将被电磁铁吸起。 【答案】ABD 80℃ 60℃ 1L 2L K 1L 2L 2L K K15 【解析】因原线圈是双线绕法，所以家庭电路正常工作时 、 磁通量为 ，A、B 正确； 家庭电路短路时， 、 磁通量仍为 ，C 错误；地面上的人接触火线发生触电时，两根 电 线 电 流 不 等 且 变 化 ， 开 关 K 被 磁 铁 吸 起 ， D 正 确 。 1L 2L 0 1L 2L 016 【巩固练习】 一、选择题 1．霍尔元件能转换哪个物理量（ ） A．把温度这个热学量转换成电阻这个电学量 B．把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量 C．把力这个力学量转换成电压这个电学量 D．把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量 2．关于传感器的下列说法中正确的有（ ） A．所有传感器都是由半导体材料做成的 B．金属材料也可以制成传感器 C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D．以上说法都不正确 3．（2015 延边州校级期中）在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这 是由于在电梯门上装有的传感器是（ ） A．光传感器 B．温度传感器 C．声音传感器 D．压力传感器 4．下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（ ） A．应变片是由导体材料制成的 B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小 C．传感器输出的是应变片上的电压 D．外力越大，输出的电压值也越大 5．关于光敏电阻，下列说法正确的是（ ） A．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 B．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好 C．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较多，导电性良好 D．半导体材料硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性变好 6．对热敏电阻，正确的叙述是（ ） A．受热后，电阻随温度的升高而迅速减小 B．受热后，电阻基本不变 C．热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度，反应快，而且精确度高 D．以上说法都不对 7．在一些星级宾馆的洗手间经常装有自动于手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器 就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作，是 因为（ ） A．改变湿度 B．改变温度 C．改变磁场 D．改变电容 8．如图所示，将一光敏电阻接人多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆 挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏转角度为 ；现用手掌挡住部分光线，表针自 左向右的偏为 ，则可判断（ ） θ 'θ17 A． B． C． D．不能确定 9．如图所示是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在 导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当外电路中的电 流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度 h 的变化为（ ） A．h 增大 B．h 减小 C．h 不变 D．无法确定 10．(2016 海淀区模拟)传感器是自动控制设备中不可缺少的元件；已经渗透到宇宙： 开发，环境保护、交通运输以及家庭生活等各种领域，下图所示为几种电容式传感器，其中 通过改变电容器两极间距而引起电容变化的是（　　） A．测位移 B．测深度 C．测压力 D．测角度 11．如图所示，铜板放入垂直向里的匀强磁场中（即磁场垂直 ABCD 平面向里），当铜板中 有图示电流流过时，下列说法正确的是（ ） A．ABCD 面的电势高于 面的电势 B．ABCD 面的电势低于 面的电势 C． 面的电势高于 面的电势 D． 面的电势低于 面的电势 12．如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面 镀有薄薄的金属层，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 'θ θ= 'θ θ< 'θ θ> ' ' ' 'A B C D ' ' ' 'A B C D ' 'AA D D ' 'BB C C ' 'AA D D ' 'BB C C18 电容器的面极，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，导致话筒所在电路中的其他量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电 容变化的原因可能是电容器两板间的（ ） A．距离变化 B．正对面积变化 C．介质变化 D．电压变化 13．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 膜片后面黏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。下列说法中正确的是（ ） 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 14．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，其工作原理如图甲所示，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，电流表示数变化与时间 t 的关系如图乙所 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 二、填空题 15．如图甲所示是一个霍尔元件，其大小仅为普通发光二极管的五分之一左右。霍尔元 件是一个四端元件，其中 AC 端输入控制电流，BD 端输出霍尔电压，可用多用电表的电压 挡来检测。 如图乙，将霍尔元件的 BD 端与多用电表的最灵敏的 50μA 电流挡相连（由于霍尔电 压很小，把它直接加在电流表两端，通过测量电流的变化，就可以知道电压的变化。也可用 数字多用电表直接测量霍尔电压），电源 E（6 V～12 V）与可变电阻 R（470Ω）串联后连 到霍尔元件的 AC 端，用以输入控制电流，R 的滑动端置于中间位置。将条形磁铁的磁极靠 近霍尔元件 H，观察多用电表指针读数的变化。19 保持霍尔元件 H 与条形磁铁磁极的相对位置不变，改变 R 的大小，再观察多用电表指 针读数的变化。由此得出，霍尔电压与________有关。 16．（2016 武汉校级期中）传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要 作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学 量)，例如热传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，热敏电阻随温度变化的图 线如图甲所示，图乙是用热敏电阻 R1 作为传感器制作的简单自动报警器原理图。则 (1)为了使温度过高时报警器铃响，开关应接在________(填“a”或“b”)。 (2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片 P 向________(填“左”或“右”)移 动。 17．（2015 上海二模）如图所示是饮水器的自动控制电路。左边是一个在水温较低时 对水加热的容器，内有密封绝缘的电热丝发热器和接触开关 S1。只要有水浸没 S1，它就会 导通；水面低于 S1 时，不会加热。 （1）Rx 是一个热敏电阻，低温时呈现高电阻，右边 P 是一个 （选填“与”、“或”、 “非”）逻辑门，接在 0~5V 电源之间，图中 J 是一个继电器，可以控制发热器工作与否，Ry 是一个可变电阻，低温时 Rx 应_______（选填“远大于”、“远小于”）Ry； （2）请阐述饮水机的自动加热原理 。 三、解答题 18．在奥运会上，运动员参加蹦床项目的比赛。假设表演时运动员仅在竖直方向上运动， 通过传感器将弹簧床面与运动员间的弹力随时间变化的规律在计算机上绘出如下图所示的 曲线，当地的重力加速度 g 取 10 rn／s2，依据图象给出的信息，回答下列物理量能否求出，20 如能求出，写出必要的运算过程和最后结果。 （1）运动员的重力； （2）运动员的最大加速度； （3）运动员跳起的最大高度。 19．如图所示是一种自动控制水温的装置，加热电路的两端 P、Q 应接在触头 a、b 之 间还是 c、d 之间？热敏电阻两端 M、N 应接在哪两个触头之间？ 20．某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比 于受压面受到的压力（比例系数为 k），如图所示，测量时先调节输人端的电压，使转换器 空载时的输出电压为 0，而后在其受压面上放上物体，即可测得与物体的质量成正比的输出 电压 U。 现有下列器材：力电转换器、质量为 m0 的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池一个、 开关及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体质量 m 的测 量。 （1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能 大，画出完整的测量电路图。 （2）简要说明测量步骤，求出比例系数|i}，并测出待测物体的质量 m。 （3）请设想实验中可能会出现的一个问题。 【答案与解析】 一、选择题 1．【答案】B 【解析】根据霍尔元件工作原理，载流子在洛伦兹力作用下漂移，形成霍尔电压， ，所以它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故 B 正确。 2．【答案】B 【解析】半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化 锰就可以制成温度计，所以选项 A 错误，B 正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感 知力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变化，所以选项 C 错误。 H IBU k d =21 3．【答案】D 【解析】电梯门碰到人或者其他障碍物时，受到障碍物的作用力，所以电梯门上装有感 知这个作用力的传感器即压力传感器。 4．【答案】BD 【解析】应变片多用半导体材料制成，故选项 A 错。当应变片拉伸时，其电阻变大，B 对。传感器输出的是上、下两应变片上的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也 就越大，故 C 错，D 对。 5．【答案】ABD 【解析】硫化镉随着光照增强，载流子增多，导电性变好，由它做成的光敏电阻随着光 照增强，电阻变小。 6．【答案】AC 【解析】热敏电阻随温度的升高其电阻值减小，热敏电阻可以用来测量很小范围内的温 度，反应快，而且精确度高。 7．【答案】D 8．【答案】B 9．【答案】A 【解析】由题意知，导线芯和导电液体构成电容器的两极，类似于平行板电容器的两极， 当液面高度发生变化时相当于两极正对面积发生变化，会引起电容的变化。与平行板电容器 类比可得，导电液体的深度 h 增大时，导线芯和导电液体正对面积增大，电容器的电容值变 大。故选项 A 正确。 10．【答案】C 【解析】A、这是可变电容器，通过改变电介质，来改变电容器的电容，故 A 错误； B、图示电容器的一个极板时金属芯线，另一个极板是导电液，故是通过改变电容器两 极间正对面积而引起电容变化的，故 B 错误； C、是通过改变极板间的距离，改变电容器的电容，故 C 正确． D、图示电容器为可变电容器，通过转动动片改变正对面积，改变电容器的电容，故 D 错误； 故选：C 11．【答案】D 【解析】铜板的载流子是自由电子，它在洛伦兹力作用下向 偏。 12．【答案】A 【解析】本题考查声传感器的应用。这个声传感器可归到电容传感器中。由题意，对着 话筒说话时，振动膜前后振动，则金属层和金属板间距离改变，即电容器两极板间距离改变， 故导致电容变化的原因可能是电容器两极板间的距离变化，故正确答案为 A。 13．【答案】B 【解析】膜片振动时，带动金属线圈运动，线圈中磁通量发生变化，产生感应电动势， 进而产生感应电流。故正确答案为 B。 14．【答案】D 【解析】在 t1～t2 内，I 变大，阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，A、B 均错。 ' 'AA D D22 在 t2～t3 内，I 不变，压力不变，小车做匀加速直线运动，C 错，D 对。故正确答案为 D。 二、填空题 15．【答案】输入电流 【解析】改变 R 的大小会观察到，电流越大，霍尔电压越大，所以霍尔电压与 AC 端 输入电流有关。 16．【答案】(1)a　(2)左 【解析】温度升高时，热敏电阻阻值减小，图乙中通电螺线管的磁性增强，将与弹簧相 连的金属导体向左吸引，要使报警器所在电路接通并报警的话，开关应接在 a。要实现温度 更高时，即热敏电阻阻值更小时才将报警器电路接通，应该将滑动变阻器连入电路的阻值调 大，即 P 向左移动。 17．【答案】（1）与；远大于（2）见解析 【解析】（1）当水温较低和水浸没 S1，两个条件同时满足时，QC 之间才有高电压输出， 发热器才会工作，故 P 应是与逻辑门。Rx 是一个热敏电阻，低温时 Rx 应远大于 Ry。 （2）饮水机的自动加热原理是：当水温较低时，Rx 阻值较大，A 为高电势，且有水浸 没 S1，B 也为高电势，则 QC 之间才有高电压输出，电磁继电器有电流通过，将吸动 S2 闭 合，发热器工作。 三、解答题 18．【答案】（1）500 N （2）40 m／s2 （3）5 m 【解析】本题中的隐含条件：由图中可知重力的大小、弹力的最大值以及运动员从离开 蹦床到回蹦床经历的时间。 （1）由图可知 G=500 N。 （ 2 ） 由 图 可 知 ， 运 动 员 受 到 的 最 大 弹 力 Fm=2500 N ， 故 。 （3）由图可知，运动员从离开蹦床到回蹦床经历的时间为 t 总=8.7 s－6.7 s=11.5 s－9.5 s=2 s，运动员上升阶段与下落阶段经历的时间均为 ，故 。 19．【答案】P、Q 应该分别接在触头 a、b 之间 M、N 应分别接 e、f 【解析】P、Q 应该分别接在触头 a、b 之间。同时，M、N 应该分别接 e、f，其工作原 理是：当水温升高时，热敏电阻阻值减小，电磁铁中电流增大，吸引力增大，使衔铁被吸下， a、b 断开，使加热装置停止加热，当水温降低到一定程度时，热敏电阻温度减小，阻值增 大，电磁铁中电流减小，吸引力减小，衔铁被弹簧拉上去，使 a、b 之间连接，加热装置开 始加热，从而实现水温控制。 20．【答案】见解析 【解析】（1）设计的电路图如图所示，输入电压采用分压接法的目的是让电压可调范围 尽可能大。 2 22500 500 m / s 40m / s50 m m F mga m − −= = = 12 tt = =总 21 5m2mh gt= =23 （2）测量步骤：①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零。②将质量为 m0 的砝码 放在转换器上，记下输出电压 U0。③将待测物体放在转换器上，记下输出电压 U1，由 U0=km0g 得 ，测得 U1=kmg，所以 。 （3）可能出现的问题（注：本题属开放性问题，答案不唯一）： ①因电源电压不够而输出电压调不到零。 ②待测物体质量超出转换器量程。 0 0 Uk m g = 1 0 2 Um m U =