資源簡介

學案50 傳感器的簡單使用
一、概念規律題組
1．關于傳感器的下列說法正確的是(　　)
A．所有傳感器的材料都是由半導體材料做成的
B．金屬材料也可以制成傳感器
C．傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的
D．以上說法都不正確
2．下列說法中正確的是(　　)
A．話筒是一種常用的聲音傳感器，其作用是將電信號轉換為聲信號
B．電熨斗能夠自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片溫度傳感器，這種傳感器的作用是控制電路的通斷
C．電子秤所使用的測力裝置是力傳感器
D．半導體熱敏電阻常用作溫度傳感器，因為溫度越高，它的電阻值越大
3．在如圖1所示的電路中，
圖1
電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，LED為發光二極管(電流越大，發出的光越強)，且R與LED相距不遠，下列說法正確的是(　　)
A．當滑動觸頭P向左移動時，L消耗的功率增大
B．當滑動觸頭P向左移動時，L消耗的功率減小
C．當滑動觸頭P向右移動時，L消耗的功率可能不變
D．無論怎樣移動觸頭P，L消耗的功率都不變
4．如圖2所示的電路中，當半導體材料做成的熱敏電阻浸泡到熱水中時，電流表示數增大，則說明(　　)
圖2
A．熱敏電阻在溫度越高時，電阻越大
B．熱敏電阻在溫度越高時，電阻越小
C．半導體材料溫度升高時，導電性能變差
D．半導體材料溫度升高時，導電性能變好
二、思想方法題組
5．某實驗小組探究一種熱敏電阻的溫度特性，現有器材：直流恒流電源(在正常工作狀態下輸出的電流恒定)、電壓表、待測熱敏電阻、保溫容器、溫度計、開關和導線等．
(1)若用上述器材測量熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，請你在圖3(a)的實物圖上連線．
　
(a)　　　　　　　　　　　 (b)
圖3
(2)實驗的主要步驟：
①正確連接電路，在保溫容器中注入適量冷水，接通電源，調節并記錄電源輸出的電流值；
②在保溫容器中添加少量熱水，待溫度穩定后，閉合開關，________，________，斷開開關；
③重復第②步操作若干次，測得多組數據．
(3)實驗小組算得該熱敏電阻在不同溫度下的阻值，并據此繪得圖(b)的R－t關系圖線，請根據圖線寫出該熱敏電阻的R－t關系式：R＝________＋________t(Ω)(保留3位有效數字)．
6．如圖4所示，圖甲為熱敏電阻的R—t圖象，圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路，繼電器的電阻為100 Ω.當線圈的電流大于或等于20 mA時，繼電器的銜鐵被吸合．為繼電器線圈供電的電池的電動勢E＝9.0 V，內阻可以不計．圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源．問：
圖4
(1)應該把恒溫箱內的加熱器接在__________(填“A、B端”或“C、D端”)．
(2)如果要使恒溫箱內的溫度保持50℃，可變電阻R′的阻值應調節為________ Ω.
一、傳感器的工作原理
1．概念：能夠感受外界信息，并將其按照一定的規律轉換成電信號的器件或裝置，叫傳感器．
2．組成：一般由敏感元件、轉換器件、轉換電路三個部分組成．
3．原理：通過對某一物理量敏感的元件，將感受到的物理量按一定規律轉換成便于測量的量．例如，光電傳感器利用光敏電阻將光信號轉換成電信號；熱電傳感器利用熱敏電阻將溫度信號轉換成電信號．
4．流程：
5．類別：最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉換器)組成，它感受被測量時，直接輸出電學量，如熱電偶．有的傳感器由敏感元件和轉換器件組成，設有轉換電路，如光電池、光電管等；有的傳感器，轉換電路不止一個，要經過若干次轉換．
6．傳感器的分類：目前對傳感器尚無一個統一的分類方法，常用的分類方法有兩個：
(1)按輸入量分類，如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度等非電學量時，相應的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器．
(2)按傳感器的工作原理分類，可分為電阻傳感器、電容傳感器、電感傳感器、電壓傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、光柵傳感器等．
7．傳感器的元件：制作傳感器時經常使用的元件有光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、霍爾元件等．
例1 如圖5甲是某同學設計的電容式速度傳感器原理圖，其中上板為固定極板，下板為待測物體，在兩極板間電壓恒定的條件下，極板上所帶電荷量Q將隨待測物體的上下運動而變化．若Q隨時間t的變化關系為Q＝(a、b為大于零的常數)，其圖象如圖乙所示，那么圖丙、圖丁中反映極板間場強大小E和物體速率v隨t變化的圖線可能是(　　)
圖5
A．①和③ B．①和④
C．②和③ D．②和④
[規范思維]
　
　
[針對訓練1] 如圖6所示是電飯鍋的結構，試回答下列問題：
圖6
(1)開始煮飯時為什么要壓下開關按鈕？手松開后這個按鈕是否會恢復到圖示的狀態？為什么？
(2)煮飯時水沸騰后鍋內是否會大致保持一定的溫度？為什么？
(3)飯熟后，水分被大米吸收．鍋底的溫度會有什么變化？這時電飯鍋會自動地發生哪些動作？
(4)如果用電飯鍋燒水，能否在水沸騰后自動斷電？為什么？
二、傳感器的應用
1．力傳感器的應用——電子秤
(1)作用：稱量物體重量
(2)敏感元件：應變片．應變片能夠把物體形變這個力學量轉換為電壓這個電學量．
2．聲傳感器的應用——話筒
(1)話筒的作用：把聲信號轉換為電信號．
(2)話筒分類：①電容式話筒；②駐極體話筒；③動圈式話筒．
3．溫度傳感器：(1)敏感元件：熱敏電阻和金屬熱電阻；(2)應用：電熨斗、電飯鍋、測溫儀、溫度報警器．
4．光傳感器：(1)敏感元件：光敏電阻、光電管、光電二極管、光電三極管等；(2)應用：鼠標、火災報警器、光控開關．
【例2】
圖7
如圖7，一熱敏電阻RT放在控溫容器M內；A為毫安表，量程6 mA，內阻為數十歐姆；E為直流電源，電動勢約為3 V，內阻很小；R為電阻箱，最大阻值為999.9 Ω；S為開關．已知RT在95℃時的阻值為150 Ω，在20℃時的阻值約為550 Ω.現要求在降溫過程中測量在95℃～20℃之間的多個溫度下RT的阻值．
(1)在圖中畫出連線，完成實驗原理電路圖．
(2)完成下列實驗步驟中的填空：
①依照實驗原理電路圖連線．
②調節控溫容器M內的溫度，使得RT的溫度為95℃.
③將電阻箱調到適當的初值，以保證儀器安全．
④閉合開關，調節電阻箱，記錄電流表的示數I0，并記錄____________．
⑤將RT的溫度降為T1(20℃＜T1＜95℃)；調節電阻箱，使得電流表的讀數__________，記錄______________．
⑥溫度為T1時熱敏電阻的電阻值RT1＝__________.
⑦逐步降低T1的數值，直至20℃為止；在每一溫度下重復步驟⑤⑥.
[規范思維]
　
　
[針對訓練2] 如圖8甲所示為某工廠成品包裝車間的光傳感記錄器，光敏電阻R1能接收到發光元件A發出的光，每當工件擋住A發出的光，光傳感器B就輸出一個電信號，并經信號處理器處理后在屏幕顯示出電信號與時間的關系，如圖乙所示．若傳送帶保持勻加速運動，每個工件均相對傳送帶靜止，且相鄰工件間距依次為5、10、15、20、…(單位：cm)．則以下說法正確的是(不計工件擋住光的時間)(　　)
圖8
A．工件的加速度為0.1 m/s2
B．工件的加速度為0.2 m/s2
C．當無光照射R1時，光傳感器就輸出一次高電壓
D．當無光照射R1時，光傳感器就輸出一次低電壓
[規范思維]
　
【基礎演練】
1．美國科學家Willard S. Boyle與George E. Smith因電荷耦合器件(CCD)的重要發明榮獲2009年度諾貝爾物理學獎．CCD是將光學量轉變成電學量的傳感器．下列器件可作為傳感器的有(　　)
A．發光二極管 B．熱敏電阻
C．霍爾元件 D．干電池
2．傳感器擔負著信息的采集任務，在自動控制中發揮著重要作用，傳感器能夠將感受到的物理量(如溫度、光、聲等)轉換成便于測量的量(通常是電學量)，例如熱敏傳感器，主要是應用了半導體材料制成的熱敏電阻將熱學量轉換為電學量．熱敏電阻隨溫度變化的圖象如圖9甲所示，圖乙是由熱敏電阻Rt作為傳感器制作的簡單自動報警器線路圖．問：
圖9
(1)為了使溫度過高時報警器鈴響，c應接在________(填“a”或“b”)
(2)若使啟動報警的溫度提高些，應將滑動變阻器滑片P點向________移動(填“左”或“右”)．
(3)如果在調試報警器達到最低報警溫度時，無論如何調節滑動變阻器滑片P都不能使報警器工作，且電路連接完好，各電路元件都能處于工作狀態，則造成工作電路實際不能工作的原因可能是__________________________________．
3．用如圖10所示的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運動的加速度，該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個由力敏電阻組合成的壓力傳感器，用兩根相同的輕彈簧夾著一個質量為2.0 kg的滑塊，滑塊可無摩擦滑動，兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上，其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出．現將裝置沿運動方向固定在汽車上，傳感器b在前，傳感器a在后．汽車靜止時，傳感器a、b的示數均為10 N．(g取10 m/s2)
圖10
(1)若傳感器a的示數為14 N，b的示數為6.0 N，求此時汽車的加速度大小和方向．
(2)當汽車以怎樣的加速度運動時，傳感器a的示數為零．
4．電流傳感器可以像電流表一樣測量電流，它的優點是反應非常快，可以捕捉到瞬間的電流變化，還可以與計算機相連，能在很短的時間內畫出電流隨時間的變化圖象．按圖11甲連接電路，提供8 V直流電源，先使開關S與1相連，電源向電容器充電，這個過程可在瞬間完成，然后把開關S擲向2，電容器放電，傳感器將電流信息傳入計算機，屏上顯示出電流隨時間變化的I－t曲線，如圖乙所示．
圖11
(1)圖中畫出的豎直狹長矩形(圖乙最左端)，它的面積表示的物理意義是
__________________；
(2)估算電容器在全部放電過程中釋放的電荷量是________________C；
(3)根據以上數據估算，電容器的電容是________F.
【能力提升】
5．這是一個研究圓周運動向心力的實驗設計：在一個透明玻璃做成的圓臺面上均勻貼了數條反光度很高的狹窄鋁箔紙條，在圓盤上方某處安裝了一個光傳感器，它具有發射紅外光線、同時可接收反射光的功能．臺面上有一條光滑的凹槽，凹槽的盡頭，靠近臺壁處安裝了一個力傳感器(可以感知力的大小)，力傳感器前放置一個小球．圓盤轉動時，光傳感器發出的光線在鋁箔處反射被光傳感器接收，在沒有鋁箔處將透射過去．小球壓迫力傳感器，獲得傳感器給球的彈力，這個力充當小球做圓周運動的向心力，力的大小可以通過傳感器測量．當光傳感器和力傳感器通過數據采集系統與電腦連接后，電腦顯示屏可顯示出光接收波形圖(見圖12)和力的測量數值F0.現已知光傳感器在圓臺面上的投影與轉軸相距r，小球的質量為m，球心與轉軸相距R，鋁箔寬度d，電腦顯示出鋁箔條反射光的最短時間為t1.
圖12
(1)用上述條件可以求出小球做圓周運動所需要的向心力F＝________，并與F0比較，從而驗證向心力公式．
(2)這一設計對轉臺做非勻速圓周運動的情況是否適用，簡要說明理由．
6．為了節能和環保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統．光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)．某光敏電阻Rp在不同照度下的阻值如下表：
照度(lx) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
電阻(kΩ) 75 40 28 23 20 18
(1)根據表中數據，請在給定的坐標系中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點．
圖13
(2)如圖13所示，當1、2兩端所加電壓上升至2 V時，控制開關自動啟動照明系統．請利用下列器材設計一個簡單電路，給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0 (lx)時啟動照明系統，在虛線框內完成電路原理圖．
(不考慮控制開關對所設計電路的影響)
提供的器材如下：
光敏電阻Rp(符號，阻值見上表)；
直流電源E(電動勢3 V，內阻不計)；
定值電阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ ，R3＝40 kΩ (限選其中之一并在圖中標出)
開關S及導線若干．
學案50 傳感器的簡單使用
1．B　2.BC　3.A
4．BD　[電流表的示數增大，說明電路中的電流增大，電阻減小，所以這個熱敏電阻的電阻率是隨溫度的升高而降低的；電阻率減小，電阻值在其他條件不變時減小，導電性能變好，故選項B、D正確．]
5．(1)連線如圖
(2)②記錄溫度計的示數　記錄電壓表的示數
(3)100　0.400
解析　(1)實物連接要注意導線不能交叉，電壓表并聯在電阻兩端．
(2)根據實驗目的，需測出熱敏電阻的阻值和水溫，水溫由溫度計讀出，電阻用伏安法測量，已記錄電流值，因此還需記錄電壓表示數．
(3)由圖象知電阻與溫度呈線性關系，設R＝R0＋kt，由圖得當t＝10 ℃時，R＝104 Ω；當t＝50 ℃時，R＝120 Ω，代入上式可得R0＝100 Ω，k＝0.400.
6．(1)A、B端　(2)260
解析　恒溫箱內的加熱器應接在A、B端．當線圈中的電流較小時，繼電器的銜鐵在上方，恒溫箱的加熱器處于工作狀態，恒溫箱內溫度升高．
隨著恒溫箱內溫度升高，熱敏電阻R的阻值變小，則線圈中的電流變大，當線圈的電流大于或等于20 mA時，繼電器的銜鐵被吸到下方來，則恒溫箱加熱器與電源斷開，加熱器停止工作，恒溫箱內溫度降低．
隨著恒溫箱內溫度降低，熱敏電阻R的阻值變大，則線圈中的電流變小，當線圈的電流小于20 mA時，繼電器的銜鐵又被釋放到上方，則恒溫箱加熱器又開始工作，這樣就可以使恒溫箱內保持在某一溫度．
要使恒溫箱內的溫度保持50℃，即50℃時線圈內的電流為20 mA.由閉合電路歐姆定律I＝，r為繼電器的電阻．由圖甲可知，50℃時熱敏電阻的阻值為90 Ω，所以R′＝－R－r＝260 Ω.
思維提升
1．所謂傳感器，就是能夠把不易測量的力、運動、熱、光等物理量轉換為易于測量的電學物理量的元件或裝置．
2．不同的傳感器特性不同，制作它們的材料亦不同．熟練掌握不同傳感器的不同特性是解決傳感器問題的關鍵．
3．傳感器需借助轉換器件和轉換電路完成非電學量向電學量的轉換，分清傳感器所在電路和熟知串并聯電路的規律是解決傳感器問題的基礎．
例1 C　[平行板電容器間電壓恒定，板間場強E＝＝＝＝，故E∝Q，即E∝，故②可能正確．
板間電荷量Q＝UC＝U＝，與已知Q隨時間的變化關系對比可知d∝(t＋a)，即待測物體的運動為勻速運動，故③可能正確．]
[規范思維]本題以電容式速度傳感器和圖象立意命題，考查了勻強電場中的場強與電勢差的關系、平行板電容器知識和用圖象表示物理量之間的關系等，本題難度較大．求解本題，要注意利用“Q隨時間t的變化關系Q＝及其圖象乙”這一信息，然后結合電場相關知識導出圖丙、圖丁涉及的兩物理量間的數學關系式，進而判斷給定圖象的正誤．
【例2】 (1)
(2)④電阻箱的讀數R0　⑤仍為I0　電阻箱的讀數R1　⑥R0－R1＋150 Ω
解析　(1)電阻箱的最大阻值與熱敏電阻的最大阻值相差不大，因此電阻箱應為與熱敏電阻串聯．
(2)要求出在不同溫度下RT的阻值，在閉合電路中讀出電流表的示數，然后記錄電阻箱的讀數R0，由閉合電路歐姆定律E＝I0(RT＋R0＋r)＝I0(150 Ω＋R0＋r)①
改變RT的溫度為T1，調節電阻箱，使得電流表的讀數仍為I0，記錄電阻箱的讀數R1，則E＝I0(RT1＋R1＋r)②
解①②得RT1＝R0－R1＋150 Ω.
[規范思維]　(1)熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小；(2)本題實際上是含有傳感器的電學實驗的設計，明確實驗原理是解題的關鍵．
[針對訓練]
1．見解析
解析　(1)開始煮飯時壓下手動開關，使永磁體和感溫磁體吸合，以保持觸點接觸，接通電熱電路；手松開后這個按鈕不會恢復到圖示狀態，因為永磁體與感溫磁體相互吸引，彈簧的彈力不能使永磁體恢復原狀態．
(2)水沸騰后，鍋內的溫度應大致保持在100℃，因為水的沸點是100℃，此時水分未被米吸收完，鍋內水分較充足，所以能保持一段時間．
(3)飯熟后，水分被大米吸收，鍋底溫度會由100℃升到103℃，達到居里點，此時開關按鈕會自動彈起，斷開加熱電路，進入保溫狀態．因為鍋底溫度達到103℃時，感溫磁體失去磁性，永磁體再不能與它吸合，在彈簧的作用下，開關按鈕恢復初始狀態．
(4)如果用電飯鍋燒水，水沸騰后不能自動斷電，因為水沸騰的溫度是100℃，而不能達到103℃(居里點)，水將一直沸騰直到燒干．
2．BD
[規范思維]　光照越強，光敏電阻的阻值越小．
思想方法總結
傳感器問題具有涉及知識點多、綜合性強、能力要求高等特點，而傳感器的形式又多種多樣，有的原理甚至較難理解．但不管怎樣，搞清傳感器的工作原理及過程是求解問題的關鍵．因此，求解時必須結合題目提供的所有信息，認真分析傳感器所在的電路結構，并注意以下兩個方面的問題：
1．確定傳感器所感受到的物理量
傳感器所感受到的物理量有力、熱、磁、光、聲等．
2．轉換電路把輸出轉換成電學量信號
通過電學元件把敏感元件輸出的物理量轉換成電學量信號，最后借助轉換電路把電學量信息轉換為便于顯示、記錄、控制的量．
1．BC　[發光二極管有單向導電性，A錯；熱敏電阻和霍爾元件都可作為傳感器，B、C對；干電池是電源，D錯．]
2．(1)a　(2)左　(3)電源提供的電流太小，導致電磁鐵的磁性太弱或彈簧的勁度系數太大等原因
解析　(1)溫度過高時，熱敏電阻阻值很小，左邊電路電流很大，螺線管產生的強磁場使豎直金屬片與a接觸，此時報警器工作，則c應接觸a才能使電路接通．
(2)使啟動報警的溫度提高些，即要求溫度更高時豎直金屬片與a接觸，而溫度更高時熱敏電阻更小，要使電流不至于過早變大而報警，則應增大滑動變阻器的電阻，故滑動變阻器滑片P點向左移動．
(3)在最低報警溫度時不能報警，說明此時電路中產生的電流不能讓豎直片與a接觸．這可能有多種原因造成，如①電源提供的電流太小，導致電磁鐵的磁性太弱；②彈簧的勁度系數太大，電磁鐵的吸引力小于彈力等．
3．(1)4 m/s2　向右　(2)10 m/s2　向左
解析　傳感器上所顯示出力的大小，即彈簧對傳感器的壓力，據牛頓第三定律知，此即為彈簧上的彈力大小，亦即該彈簧對滑塊的彈力大小．
(1)如右圖所示，
依題意：左側彈簧對滑塊向右的推力F1＝14 N，右側彈簧對滑塊的向左的推力F2＝6.0 N.
滑塊所受合力產生加速度a1，根據牛頓第二定律有
F1－F2＝ma1
得a1＝＝ m/s2＝4 m/s2
a1與F1同方向，即向前(向右)．
(2)a傳感器的讀數恰為零，即左側彈簧的彈力F1′＝0，因兩彈簧相同，左彈簧伸長多少，右彈簧就縮短多少，所以右彈簧的彈力變為F2′＝20 N.
滑塊所受合力產生加速度，由牛頓第二定律得
F合＝F2′＝ma2
得a2＝＝－10 m/s2
負號表示方向向后(向左)．
4．(1)電容器0.1 s內放電的電荷量　(2)5.60×10－3(5.52×10－3～5.68×10－3)　(3)7.00×10－4(6.90×10－4～7.10×10－4)
解析　(1)因為q＝It，所以I－t圖象下的“面積”表示電荷量q.
(2)圖象與坐標軸所圍的“面積”有70個格(69～71個格)，所以電量為70×0.2×0.4×10－3 C＝5.60×10－3 C(5.52×10－3～5.68×10－3 C都算正確)．
(3)電容器充電的電壓等于電源電動勢E＝8 V，由C＝得C＝7.00×10－4 F(6.90×10－4～7.10×10－4 F都算正確)．
5．(1)m　(2)適用．因為牛頓第二定律具有瞬時性，只要取對應瞬時值即可比較．
解析　光傳感器所在位置的線速度為d/t1，所以轉盤轉動的角速度ω＝＝，小球做圓周運動所需向心力F＝mω2R＝m()2R.
6．見解析
解析　(1)光敏電阻的阻值隨光照度變化的曲線如下圖所示，其特點是：光敏電阻的阻值隨光照度的增大非線性減小．
(2)當光照度降至1.0 (lx)時，光敏電阻的阻值為Rp＝20 kΩ，設計原理圖如下圖所示．根據歐姆定律與串聯電阻的分壓
＝
即＝
R＝10 kΩ
即與Rp串聯的電阻應選R1＝10 kΩ.
易錯點評
1．注意區分熱敏電阻和金屬熱電阻．隨溫度的升高，熱敏電阻的阻值減小，而金屬熱電阻的阻值增大．
2．在敏感元件和固定元件串聯的電路中，應注意區分電學量信號的輸出是從敏感元件兩端，還是從固定元件兩端．
3．傳感器元件往往與電磁繼電器相結合，應注意區分被控制的電路是在繼電器工作時工作，還是在繼電器不工作時工作．
4．傳感器元件往往與邏輯電路相結合，應注意分析邏輯電路的邏輯關系．

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