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第3節　大顯身手的傳感器
(分值：60分)
1~6題每題4分，7題10分，共34分
考點一　傳感器的應用
1.(多選)(2023·莆田市錦江中學高二月考)傳感器是一種采集信息的重要器件，如圖是由電容器作為傳感器來測定壓力變化的電路，當待測壓力F作用于可動膜片電極上時，以下說法中正確的是(　　)
A.若F向上壓膜片電極，電路中有從a到b的電流
B.若F向上壓膜片電極，電路中有從b到a的電流
C.若F向上壓膜片電極，電路中不會出現電流
D.若電流表有示數，則說明壓力F發生變化
2.(2023·泉州市高二月考)位移傳感器的工作原理如圖所示，物體M在導軌上平移時，帶動滑動變阻器的金屬滑片P，通過電壓表顯示的數據，來反映物體M位移的大小x。假設電壓表是理想電表，物體M不動時，滑片P位于滑動變阻器正中間位置，則下列說法正確的是(　　)
A.物體M運動時，電源內的電流會發生變化
B.物體M運動時，電壓表的示數會發生變化
C.物體M不動時，電路中沒有電流
D.物體M不動時，電壓表沒有示數
3.(2024·廈門市高二期末)電子眼系統通過路面下埋設的感應線來感知汽車的壓力。感應線是一個壓電薄膜傳感器，壓電薄膜在受壓時兩端產生電壓，電壓隨壓力變化而變化，壓力越大電壓越大，壓力不變，電壓一定。壓電薄膜與電容器C、電阻R組成圖甲所示的回路。紅燈亮時，如果汽車的前、后輪先后經過感應線，回路中會產生兩個脈沖電流，如圖乙所示，即視為“闖紅燈”，電子眼自動拍照記錄。則紅燈亮時(　　)
A.車輪停在感應線上時電阻R上有恒定電流
B.車輪經過感應線的過程中，電容器先放電后充電
C.車輪經過感應線的過程中，電阻R上的電流一直增大
D.汽車前輪剛越過感應線，又倒回到線內，會被電子眼拍照
4.(多選)如圖為電容式位移傳感器的示意圖，測出電容C的變化即可知道物體位移x的變化，表示該傳感器的靈敏度。電容器極板和電介質板長度均為L，測量范圍為-≤x≤，下列說法正確的是(　　)
A.若電容器的電容變大，物體向-x方向運動
B.若電容器的電容變大，物體向+x方向運動
C.電介質的相對介電常數越大，傳感器靈敏度越高
D.電容器的板間電壓越大，傳感器靈敏度越高
5.目前智能手機普遍采用了電容觸摸屏，電容觸摸屏是利用人體的電流感應進行工作的，它是一塊四層復合玻璃屏，玻璃屏的內表面和夾層各涂一層ITO(納米銦錫金屬氧化物)，夾層ITO涂層作為工作面，四個角引出四個電極，當用戶手指觸摸電容觸摸屏時，手指和工作面形成一個電容器，因為工作面上接有高頻信號，電流通過這個電容器分別從屏的四個角上的電極中流出，且理論上流經四個電極的電流與手指到四個角的距離成比例，控制器通過對四個電流比例的精密計算確定手指位置。對于電容觸摸屏，下列說法正確的是(　　)
A.電容觸摸屏觸摸時，不需要壓力即能產生位置信號
B.使用絕緣筆在電容觸摸屏上也能進行觸控操作
C.手指壓力變大時，由于手指與屏的夾層工作面距離變小，電容變小
D.手指與屏的接觸面積變化時，電容不變
考點二　傳感器與電路綜合
6.(2023·岳陽市第一中學高二期末)某種酒精測試儀是利用二氧化錫半導體型酒精氣體傳感器，酒精氣體傳感器的電阻隨酒精氣體濃度的變化而變化，在如圖所示的電路中，不同的酒精氣體濃度對應著傳感器的不同電阻，如果二氧化錫半導體型酒精氣體傳感器電阻的倒數與酒精氣體的濃度成正比，那么，電壓表示數U與酒精氣體濃度c之間的對應關系正確的是(　　)
A.U越小，表示c越大，c與U成反比
B.U越小，表示c越大，c與U不成反比
C.U越小，表示c越小，c與U成正比
D.U越大，表示c越大，c與U不成正比
7.(10分)有一種角速度計可以測量航天器的轉動角速度，其結構如圖所示，角速度計固定在待測裝置上，元件A可在光滑桿上滑動，靜止時，電壓輸出剛好為零。當裝置繞豎直軸OO'轉動時，元件A在光滑桿上發生位移并輸出電壓信號，成為航天器制導系統的信息源。已知A的質量為m，彈簧的勁度系數為k，自然長度為l0，電源的電動勢為E，內阻不計，滑動變阻器B總長度為l，當系統以角速度ω轉動時，求電壓表讀數U與ω的函數關系。
8題6分，9題10分，共16分
8.(2023·福建省銘選中學等三校高二期中)如圖所示為某汽車的加速度傳感器的俯視圖。金屬塊左、右側分別連接電介質、輕質彈簧，彈簧與電容器固定在外框上，金屬塊可帶動電介質相對于外框左右移動(不能上下移動)，電容器與電源連接，并串聯計算機的信號采集器。關于該傳感器的說法正確的是(　　)
A.汽車保持靜止時，電容器不帶電
B.汽車靜止時與直線運動時，電容器的電容可能相同
C.汽車由靜止突然向右加速，電路中有逆時針方向的電流
D.汽車向右做勻加速直線運動過程中，電路中始終有順時針方向的電流
9.(10分)某實驗小組為研究保溫式自動電飯鍋中用于監測溫度的熱敏電阻RT的特性，設計了以下實驗：
(1)(2分)首先利用多用電表粗略測量與電飯鍋中型號相同的熱敏電阻常溫狀態下的阻值，多用電表的旋鈕置于電阻“×100”的擋位時示數如圖甲所示，則該熱敏電阻的阻值為　　　　 Ω；
(2)(4分)該實驗小組為了進一步探究熱敏電阻的特性，設計了圖乙所示的電路，電路中的電表均為理想電表，定值電阻R0=2 kΩ；
①開關閉合前，滑動變阻器的滑動觸頭應置于最　　　　(選填“左”或“右”)端；
②某次實驗，電壓表V1、V2的示數分別為3.0 V、4.5 V，則熱敏電阻的阻值為　　　　 kΩ；
(3)(2分)通過多次實驗，作出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖像如圖丙所示，當RT=2 kΩ時，熱敏電阻所處環境的溫度約為　　　　℃；
(4)(2分)該自動電飯鍋采用感溫磁控元件(圖中虛線框內)控制加熱電路通或斷，當磁控元件輸入端a、b間的電壓大于某一值時開關S閉合，加熱電路接通。若設定鍋內溫度低于60 ℃時，加熱電路接通，則下列電路符合要求的是　　　　。
10.(10分)(2023·濰坊市測評)市面上有一種銅熱電阻溫度傳感器Cu50(如圖甲所示)，銅熱電阻封裝在傳感器的探頭內。某物理興趣小組查到了熱電阻Cu50的阻值隨溫度變化的一些信息，并繪制出了如圖乙所示圖像，該小組想利用這種傳感器制作一個溫度計，他們準備的實驗器材如下：干電池，電動勢為1.5 V，內阻不計；毫安表，量程20 mA，內阻為15 Ω；電阻箱；開關、導線若干。
(1)(2分)若直接將干電池、開關、毫安表、銅熱電阻溫度傳感器Cu50串接成一個電路作為測溫裝置，則該電路能測的最低溫度為　　　　　 ℃。
(2)(6分)該實驗小組為了使溫度從0 ℃開始測量，又設計了如圖丙所示的電路圖，其中R為銅熱電阻，R1為電阻箱，并進行了如下操作：
a.將傳感器探頭放入冰水混合物中，過一段時間后閉合開關，調節電阻箱R1，使毫安表指針滿偏，此時R1=　　　　　Ω；
b.保持電阻箱的阻值不變，把傳感器探頭放入溫水中，過一段時間后閉合開關，發現毫安表的讀數為18.0 mA，則溫水的溫度為　　　　　 ℃(保留2位有效數字)；
c.寫出毫安表的電流I(A)和溫度t(℃)的關系式　　　　　　　　　　；
d.根據關系式將毫安表刻度盤上的電流值改寫為溫度值，這樣就可以通過毫安表的表盤直接讀出被測物體的溫度。
(3)(2分)若干電池用久了后其電動勢不變，而內阻明顯變大，其他條件不變。若使用此溫度計前按題(2)中a步驟的操作進行了調節，仍使毫安表指針滿偏；測量結果將會　　　　　(填“偏大”“偏小”或“不變”)。
答案精析
1.BD　［根據電容決定式C=，若F向上壓膜片電極，則兩極板的板間距d減小，則電容C增大，根據C=，由于電容器與電源保持相連，電壓U不變，而電容C增大，則極板所帶電荷量Q增大，電源對電容器進行充電，外電路中產生順時針方向的瞬時電流，直到再次充滿，所以F向上壓膜片電極，電路中有從b到a的電流，故B正確，A、C錯誤；只要壓力發生變化，極板間距離就有變化，電容也就變化，電流表就有示數，故D正確。］
2.B　［電壓表為理想電表，則電壓表不分流，故P移動時不會改變電路的電阻，也就不會改變電路中的電流，故A錯誤；電壓表測的是滑片P左側電阻分得的電壓，故示數隨P的移動即物體M的運動而變化，物體M不動時，電壓表仍有示數，電路中仍有電流，故B正確，C、D錯誤。］
3.D　［汽車停在感應線上時，汽車對壓電薄膜的壓力不變，電壓恒定，電路中沒有電流，A錯誤；車輪經過感應線時，電容器先充電后放電，電流不會一直增大，B、C錯誤；汽車前輪兩次經過感應線，產生兩個脈沖電流，所以會被電子眼拍照，D正確。］
4.AC　［根據電容決定式C=可知，電容器的電容變大，說明電容器極板間的電介質板長度增加，則物體沿-x方向運動，故A正確，B錯誤。電介質的相對介電常數εr越大，電介質板移動相同的位移，電容的變化量ΔC越大，傳感器靈敏度越高，故C正確。電容器的板間電壓變大，但電容不發生變化，則傳感器靈敏度不變，故D錯誤。］
5.A　［由題干可以看出當用戶手指觸摸電容觸摸屏時，手指和工作面形成一個電容器，因為工作面上接有高頻信號，電流通過這個電容器分別從屏的四個角上的電極中流出，且理論上流經四個電極的電流與手指到四個角的距離成比例，控制器通過對四個電流比例的精密計算來確定手指位置，故A正確；絕緣筆不能導電，不能和工作面形成一個電容器，所以不能進行操作，故B錯誤；根據C=可知，手指壓力變大時，手指與屏的接觸面積變大時，電容變大，故C、D錯誤。］
6.D　［設酒精氣體傳感器的電阻為R'，則=kc，k是比例系數，根據閉合電路歐姆定律得，電壓表示數U==，可見，c越大，則U越大，但U與c不成正比，故選D。］
7.U=
解析　當系統以角速度ω轉動時，對元件A，彈簧彈力提供其做圓周運動的向心力，有kx=mω2(l0+x)
電壓表的讀數U=E
解得U與ω的函數關系為U=
當x=l時，U=E，ω=
上式成立的條件是ω≤。
8.B　［汽車保持靜止時，Q=CU，電容器帶電，故A錯誤；汽車靜止時與勻速直線運動時，彈簧長度相同，電容器的電容相同，故B正確；當汽車向右加速運動時，電容器電介質相對于電容器向左運動，由C=可知電容變大，因兩極板間的電壓不變，則電容器的電荷量變大，電容器充電，電路中有順時針方向的電流，故C錯誤；汽車向右做勻加速直線運動過程中，加速度不變，彈簧伸長量不變，電容器充電完成后，電路中不再有電流，故D錯誤。］
9.(1)3 200　(2)①左　②3　(3)38　(4)B
解析　(1)由題圖甲可知該熱敏電阻的阻值為RT=32×100 Ω=3 200 Ω。
(2)①為保護電路元件，應使閉合開關后分壓電路的電壓為零，所以開關閉合前，滑動變阻器的滑動觸頭應置于最左端。
②由串聯分壓規律可得=
解得RT'=3 kΩ。
(3)由題圖丙可知，當RT=2 kΩ時，熱敏電阻所處環境的溫度約為38 ℃。
(4)由串聯分壓規律可知阻值越大時分壓越大，由題圖丙可知，RT隨溫度降低而升高，而由題意可知鍋內溫度低于60 ℃時，磁控元件輸入端a、b間的電壓應始終大于某一值，即a、b間的電壓應隨溫度的降低而增大，所以符合要求的是電路B。
10.(1)50　(2)10　42　I=　(3)不變
解析　(1)由題意知毫安表量程為20 mA，所以電路的總電阻最小為
Rmin== Ω=75 Ω
所以銅熱電阻的電阻為
R'=Rmin-RA=75 Ω-15 Ω=60 Ω
由R-t圖像可知R=50+0.2t Ω
解得t=50 ℃。
(2)將傳感器探頭放入冰水混合物中，此時溫度為0 ℃，由題圖乙可得，此時銅熱電阻為R″=50 Ω
過一段時間后閉合開關，調節電阻箱R1，使毫安表指針滿偏，此時
R1=Rmin-RA-R″=75 Ω-15 Ω-50 Ω=10 Ω
當電流為18 mA時，銅熱電阻為R = Ω-15 Ω-10 Ω≈58.3 Ω
所以此時溫度為t= ℃=41.5 ℃≈42 ℃
由題意可得-25=50+0.2t，則毫安表的電流I(A)和溫度t(℃)的關系式為I=。
(3)因為在操作a步驟時，要調節電阻箱使電流表滿偏，當電源內阻增大時，會將電阻箱電阻調小，但總和不變，所以對結果無影響。第3節　大顯身手的傳感器
［學習目標］　1.了解傳感器在自動感應門、洗衣機水位控制裝置、指紋識別器、機器人中的應用。2.了解電容式傳感器及其應用(重點)。3.會解決傳感器與電路的綜合問題(難點)。
一、常見傳感器的應用
1.自動感應門
(1)控制自動門的開關裝有一種　　　　　傳感器。
(2)自動門系統三環節：檢測門前是否有人；判斷檢測結果，　　　　　　　　　　　；執行指令。
2.洗衣機的水位控制裝置
全自動洗衣機的水位控制裝置中使用　　　　傳感器，當筒內水位到達設定高度時，凸起的膜片控制觸點接觸，使控制電路接通，　　　　進水電磁閥門，同時　　　洗滌電動機電源，開始洗滌衣物。
3.指紋識別器
指紋識別器是通過　　　　傳感器來識別指紋。手指皮膚與電容傳感器表面構成了　　　　　　　　，指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同，使電容陣列中不同位置的電容器的電容值不同。通過讀取這些電容的差異，就能獲取指紋　　　　
4.機器人
(1)機器人由　　　　系統、　　　　　　系統、信息處理和　　　　系統組成。
(2)機器人傳感器分為外部傳感器和　　　傳感器。
(3)傳感器用途分類
①外部傳感器用于感知外部　　　　　　和外界事物對機器人的　　　　。使機器人擁有類似人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等感覺。
②內部傳感器(如角度傳感器、　　　　　　　　等)用于檢測機器人自身的狀態。
例1　全面了解汽車的運行狀態(速度、水箱溫度、油量)是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一，模仿汽車油表原理，某同學自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置。如圖所示，其中電源電壓保持不變，R是滑動變阻器，它的金屬片是金屬桿的一端。該同學在裝置中使用了一只電壓表(圖中未畫出)，通過觀察電壓表示數，可以了解油量情況，已知R' R，O點固定，金屬桿可繞O點轉動，你認為電壓表應該接在圖中的　　　　　　兩點之間，按照你的接法請回答：當油箱中油量減少時，電壓表的示數將　　　　(選填“增大”或“減小”)。
二、電容式傳感器及其應用
1.電容式傳感器的工作原理
電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質這幾個因素。如果某一物理量(如角度θ、位移s、深度h等)的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化。具有這種用途的電容器稱為電容式傳感器。
2.電容式傳感器的一些常見應用
用途 圖例 原理
測定角度θ 當動片與定片之間的角度θ發生變化時，引起極板正對面積S的變化，使電容C發生變化
測定液面高度h 在金屬芯線的外面涂上一層絕緣物質，放入導電液體中，金屬芯線和導電液體構成電容器的兩個極板，金屬芯線外面的絕緣物質就是電介質。當液面高度h發生變化時，引起電容器極板正對面積發生變化，使電容C發生變化
測定壓力F 待測壓力F作用于可動電極上時，可動電極發生形變，使極板間距離d發生變化，引起電容C發生變化
測定位移s 隨著電介質進入極板間的長度發生變化，電容C發生變化
如圖是電容式話筒的原理圖，話筒的振動膜片上涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個金屬片，他們構成電容器的兩個極板。電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離關系來工作，試分析它的工作原理。
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例2　傳感器是把非電學物理量(如位移、速度、壓力、角度等)轉換成電學物理量(如電壓、電流、電荷量等)的一種元件。如圖所示中的甲、乙、丙、丁是四種常見的電容式傳感器，下列說法正確的是(　　)
A.甲圖中兩極間的電荷量不變，若電壓減小，可判斷出h變小
B.乙圖中兩極間的電荷量不變，若電壓增大，可判斷出θ變小
C.丙圖中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的負極，則插入長度s變大
D.丁圖中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的正極，則F變大
例3　(2023·聊城市第一中學期末)圖甲為某廠商生產的電容式電子體重計，其內部電路簡化圖如圖乙所示，稱重時，人站在體重計面板上，使平行板上層膜片電極在壓力作用下向下移動，則下列說法正確的是(　　)
A.上層膜片下移過程中，電流表有b到a的電流
B.上層膜片下移過程中，電容器的電容增大，上下極板間的電壓增大
C.上層膜片下移過程中，電容器的電容增大，所帶電荷量減小
D.上層膜片穩定后，平行板電容器上下極板均不帶電荷
三、傳感器與電路的綜合問題
1.分析含傳感器的電路問題的關鍵
電路中涉及傳感器時，首先明確傳感器隨輸入信號變化的特點，然后參照動態電路問題的分析思路，由部分到整體再到部分進行分析。當涉及電路的計算問題時，要依據敏感元件變化的特性找準對應時刻、位置等，如果有圖像變化，把握圖像的信息也非常重要。
2.分析傳感器圖像問題的關鍵
物理圖像能形象地表達物理規律，直觀地展示物理過程，并能鮮明地體現物理量之間的相互關系，分析傳感器的圖像問題時要注意運用圖像進一步建立物理圖像和物理情境之間的聯系，想象圖像所呈現的物理過程、狀態、現象以及物理變化的具體情境，這些正是審題、解題的過程中所必需的，另一方面還要注意圖像和物理公式的結合，有些圖像所表示的就是一個函數關系式，重要的是要明確是哪兩個物理量之間的關系及是什么樣的函數關系。
例4　 (2023·安陽市期末)測溫槍中常用的測溫元件是熱敏電阻。
(1)物理興趣小組連接了如圖甲所示的電路探究熱敏電阻的特性，請你在虛線框中畫出電路圖。
(2)若由實驗測得該熱敏電阻兩端的電壓U與通過它的電流I的關系如圖乙所示，可知該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高　　　　(選填“逐漸增大”“逐漸減小”或“恒定不變”)。
(3)該小組設計了如圖丙所示的電路驗證測溫槍測量溫度的準確性，已知電源電動勢E=1.5 V，內阻忽略不計，R0=15 Ω，熱敏電阻的阻值與溫度的關系如圖丁所示。由此可知溫度越高，電壓表示數　　　　　(選填“越大”或“越小”)；閉合開關后，發現電壓表示數為U=0.45 V，則熱敏電阻的溫度約為　　　　　 ℃(保留1位小數)。
答案精析
一、
1.(1)紅外線　(2)發出相關指令
2.壓力　關閉　接通
3.電容　電容陣列
4.(1)機械　傳感器　控制　(2)內部
(3)①工作環境　刺激　②關節傳感器
例1　b、c　增大
解析　由題圖可知當油箱內液面高度變化時，R的金屬滑片將會移動，從而引起R兩端電壓的變化，且當R' R時，UR=IR，可視為UR與R成正比，所以電壓表應接在b、c兩點之間；當油量減少時，電壓表示數將增大。
二、
思考與討論
電容式話筒利用振膜接收空氣振動信號，振膜與固定的電極之間形成一個電容器，兩者之間的距離變化會導致其電容的變化。在電容器兩端施加恒定的電壓，通過電容器的電流就會變化。將這個電流信號進行轉換，即可輸出音頻信號。
例2　D　［題圖甲中兩極間的電荷量不變，若電壓減小則由電容的定義式C=可知，電容增大，由電容的決定式C=可知，兩極板正對面積增大，h變大，A錯誤；題圖乙中兩極間的電荷量不變，若電壓增大，則由電容的定義式C=可知，電容減小，由電容的決定式C=可知，極板正對面積減小，θ變大，B錯誤；題圖丙中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的負極，說明電容器在放電，電荷量減小，由電容的定義式C=可知，電容減小，由電容的決定式C=可知，電介質向外移動，則插入長度s變小，C錯誤；題圖丁中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的正極，說明電容器在充電，電荷量增大，由電容的定義式C=可知，電容增大，由電容的決定式C=可知，極板間距離減小，則F變大，D正確。］
例3　A　［根據C=可知，上層膜片下移過程中d減小，電容C增大，由Q=CU知電容器所帶電荷量增大，電容器充電。因此電流表有b到a的電流，電容器兩個極板與電源相連，上下極板間的電壓不變，故A正確，B、C錯誤；上層膜片穩定后，平行板電容器上下極板與電源相連，均帶電荷，故D錯誤。］
三、
例4　(1)見解析圖　(2)逐漸減小　(3)越大　38.5
解析　(1)由實物連線圖畫出電路圖如圖所示。
(2)根據I-U圖像上點的橫、縱坐標比值等于熱敏電阻的阻值，可知其隨溫度的升高逐漸減小。
(3)由圖丁可知，溫度越高，熱敏電阻的阻值越小，故溫度越高，電壓表示數越大。閉合開關后，發現電壓表示數為U=0.45 V，由歐姆定律可知，電路中電流I==0.03 A，此時熱敏電阻的阻值為RT==35 Ω，由圖丁可知對應的溫度約為38.5 ℃。(共58張PPT)
DIWUZHANG
第5章
第3節　大顯身手的傳感器
1.了解傳感器在自動感應門、洗衣機水位控制裝置、指紋識別器、機器人中的應用。
2.了解電容式傳感器及其應用(重點)。
3.會解決傳感器與電路的綜合問題(難點)。
學習目標
一、常見傳感器的應用
課時對點練
內容索引
二、電容式傳感器及其應用
三、傳感器與電路的綜合問題
一
常見傳感器的應用
1.自動感應門
(1)控制自動門的開關裝有一種 傳感器。
(2)自動門系統三環節：檢測門前是否有人；判斷檢測結果， ；執行指令。
2.洗衣機的水位控制裝置
全自動洗衣機的水位控制裝置中使用 傳感器，當筒內水位到達設定高度時，凸起的膜片控制觸點接觸，使控制電路接通， 進水電磁閥門，同時 洗滌電動機電源，開始洗滌衣物。
紅外線
發出相關指令
壓力
關閉
接通
3.指紋識別器
指紋識別器是通過 傳感器來識別指紋。手指皮膚與電容傳感器表面構成了 ，指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同，使電容陣列中不同位置的電容器的電容值不同。通過讀取這些電容的差異，就能獲取指紋信息。
4.機器人
(1)機器人由 系統、 系統、信息處理和 系統組成。
(2)機器人傳感器分為外部傳感器和 傳感器。
電容
電容陣列
機械
傳感器
控制
內部
(3)傳感器用途分類
①外部傳感器用于感知外部 和外界事物對機器人的 。使機器人擁有類似人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等感覺。
②內部傳感器(如角度傳感器、 等)用于檢測機器人自身的狀態。
工作環境
刺激
關節傳感器
　全面了解汽車的運行狀態(速度、水箱溫度、油量)是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一，模仿汽車油表原理，某同學自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置。如圖所示，其中電源電壓保持不變，
例1
R是滑動變阻器，它的金屬片是金屬桿的一端。該同學在裝置中使用了一只電壓表(圖中未畫出)，通過觀察電壓表示數，可以了解油量情況，已知R' R，O點固定，金屬桿可繞O點轉動，你認為電壓表應該接在圖中的　　　兩點之間，按照你的接法請回答：當油箱中油量減少時，電壓表的示數將　　　(選填“增大”或“減小”)。
b、c
增大
由題圖可知當油箱內液面高度變化時，R的金屬滑片將會移動，從而引起R兩端電壓的變化，且當R' R時，UR=IR，可視為UR與R成正比，所以電壓表應接在b、c兩點之間；當油量減少時，電壓表示數將增大。
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二
電容式傳感器及其應用
1.電容式傳感器的工作原理
電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質這幾個因素。如果某一物理量(如角度θ、位移s、深度h等)的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化。具有這種用途的電容器稱為電容式傳感器。
2.電容式傳感器的一些常見應用
用途 圖例 原理
測定角度θ 當動片與定片之間的角度θ發生變化時，引起極板正對面積S的變化，使電容C發生變化
測定液面高度h 在金屬芯線的外面涂上一層絕緣物質，放入導電液體中，金屬芯線和導電液體構成電容器的兩個極板，金屬芯線外面的絕緣物質就是電介質。當液面高度h發生變化時，引起電容器極板正對面積發生變化，使電容C發生變化
用途 圖例 原理
測定壓力F 待測壓力F作用于可動電極上時，可動電極發生形變，使極板間距離d發生變化，引起電容C發生變化
測定位移s 隨著電介質進入極板間的長度發生變化，電容C發生變化
如圖是電容式話筒的原理圖，話筒的振動膜片上涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個金屬片，他們構成電容器的兩個極板。電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離關系來工作，試分析它的工作原理。
思考與討論
答案　電容式話筒利用振膜接收空氣振動信號，振膜與固定的電極之間形成一個電容器，兩者之間的距離變化會導致其電容的變化。在電容器兩端施加恒定的電壓，通過電容器的電流就會變化。將這個電流信號進行轉換，即可輸出音頻信號。
　傳感器是把非電學物理量(如位移、速度、壓力、角度等)轉換成電學物理量(如電壓、電流、電荷量等)的一種元件。如圖所示中的甲、乙、丙、丁是四種常見的電容式傳感器，下列說法正確的是
A.甲圖中兩極間的電荷量不變，若電壓減
　小，可判斷出h變小
B.乙圖中兩極間的電荷量不變，若電壓增
　大，可判斷出θ變小
C.丙圖中兩極間的電壓不變，若有電流流
　向傳感器的負極，則插入長度s變大
D.丁圖中兩極間的電壓不變，若有電流流
　向傳感器的正極，則F變大
例2
√
題圖甲中兩極間的電荷量不變，若電壓減小則由電容的定義式C=可知，電容增大，由電容的決定式
C=可知，兩極板正對面積增大，h變大，A錯誤；
題圖乙中兩極間的電荷量不變，若電壓增大，則由電容的定義式C=可知，電容減小，由電容的決定式C=可知，極板正對面積減小，θ變大，B錯誤；
題圖丙中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的負極，說明電容器在放電，電荷量減小，由電容的定義式C=可知，電容減小，由電容的決定式
C=可知，電介質向外移動，則插入長度s變小，C錯誤；
題圖丁中兩極間的電壓不變，若有電流流向傳感器的正極，說明電容器在充電，電荷量增大，由電容的定義式C=可知，電容增大，由電容的決定式C=可知，極板間距離減小，則F變大，D正確。
　(2023·聊城市第一中學期末)圖甲為某廠商生產的電容式電子體重計，其內部電路簡化圖如圖乙所示，稱重時，人站在體重計面板上，使平行板上層膜片電極在壓力作用下向下移動，則下列說法正確的是
A.上層膜片下移過程中，電流表有
　b到a的電流
B.上層膜片下移過程中，電容器的
　電容增大，上下極板間的電壓增大
C.上層膜片下移過程中，電容器的電容增大，所帶電荷量減小
D.上層膜片穩定后，平行板電容器上下極板均不帶電荷
例3
√
根據C=可知，上層膜片下移過程中d減小，電容C增大，由Q=CU知電容器所帶電荷量增大，電容器充電。因
此電流表有b到a的電流，電容器兩個極板與電源相連，上下極板間的電壓不變，故A正確，B、C錯誤；
上層膜片穩定后，平行板電容器上下極板與電源相連，均帶電荷，故D錯誤。
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三
電容式傳感器及其應用
1.分析含傳感器的電路問題的關鍵
電路中涉及傳感器時，首先明確傳感器隨輸入信號變化的特點，然后參照動態電路問題的分析思路，由部分到整體再到部分進行分析。當涉及電路的計算問題時，要依據敏感元件變化的特性找準對應時刻、位置等，如果有圖像變化，把握圖像的信息也非常重要。
2.分析傳感器圖像問題的關鍵
物理圖像能形象地表達物理規律，直觀地展示物理過程，并能鮮明地體現物理量之間的相互關系，分析傳感器的圖像問題時要注意運用圖像進一步建立物理圖像和物理情境之間的聯系，想象圖像所呈現的物理過程、狀態、現象以及物理變化的具體情境，這些正是審題、解題的過程中所必需的，另一方面還要注意圖像和物理公式的結合，有些圖像所表示的就是一個函數關系式，重要的是要明確是哪兩個物理量之間的關系及是什么樣的函數關系。
　(2023·安陽市期末)測溫槍中常用的測溫元件是熱敏電阻。
(1)物理興趣小組連接了如圖甲所示的電路探究熱敏電阻的特性，請你在虛線框中畫出電路圖。
例4




答案　見解析圖
由實物連線圖畫出電路圖如圖所示。
(2)若由實驗測得該熱敏電阻兩端的電壓U與通過它的電流I的關系如圖乙所示，可知該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高　　　　(選填“逐漸增大”“逐漸減小”或“恒定不變”)。
逐漸減小
根據I-U圖像上點的橫、縱坐標比值等于熱敏電阻的阻值，可知其隨溫度的升高逐漸減小。
(3)該小組設計了如圖丙所示的電路驗證測溫槍測量溫度的準確性，已知電源電動勢E=1.5 V，內阻忽略不計，R0=15 Ω，熱敏電阻的阻值與溫度的關系如圖丁所示。由此可知溫度越高，電壓表示數　　　(選填“越大”或“越小”)；閉合開關后，發現電壓表示數為U=0.45 V，則熱敏電阻的溫度約為　 　 ℃(保留1位小數)。
越大
38.5
由圖丁可知，溫度越高，熱敏電阻的阻值越小，故溫度越高，電壓表示數越大。閉合開關后，發現電壓表示數為U=0.45 V，由歐姆定律可知，電路中電流I==0.03 A，此時熱敏電阻的阻值為RT==35 Ω，由圖丁可知對應的溫度約為38.5 ℃。
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課時對點練
四
考點一　傳感器的應用
1.(多選)(2023·莆田市錦江中學高二月考)傳感器是一種采集信息的重要器件，如圖是由電容器作為傳感器來測定壓力變化的電路，當待測壓力F作用于可動膜片電極上時，以下說法中正確的是
A.若F向上壓膜片電極，電路中有從a到b的電流
B.若F向上壓膜片電極，電路中有從b到a的電流
C.若F向上壓膜片電極，電路中不會出現電流
D.若電流表有示數，則說明壓力F發生變化
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基礎對點練
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根據電容決定式C=，若F向上壓膜片電極，則兩極板的板間距d減小，則電容C增大，根據C=，由于電容器與電源保持相連，電壓U不變，
而電容C增大，則極板所帶電荷量Q增大，電源對電容器進行充電，外電路中產生順時針方向的瞬時電流，直到再次充滿，所以F向上壓膜片電極，電路中有從b到a的電流，故B正確，A、C錯誤；
只要壓力發生變化，極板間距離就有變化，電容也就變化，電流表就有示數，故D正確。
2.(2023·泉州市高二月考)位移傳感器的工作原理如圖所示，物體M在導軌上平移時，帶動滑動變阻器的金屬滑片P，通過電壓表顯示的數據，來反映物體M位移的大小x。假設電壓表是理想電表，物體M不動時，滑片P位于滑動變阻器正中間位置，則下列說法正確的是
A.物體M運動時，電源內的電流會發生變化
B.物體M運動時，電壓表的示數會發生變化
C.物體M不動時，電路中沒有電流
D.物體M不動時，電壓表沒有示數
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電壓表為理想電表，則電壓表不分流，故P移動時不會改變電路的電阻，也就不會改變電路中的電流，故A錯誤；
電壓表測的是滑片P左側電阻分得的電壓，故示數隨
P的移動即物體M的運動而變化，物體M不動時，電壓表仍有示數，電路中仍有電流，故B正確，C、D錯誤。
3.(2024·廈門市高二期末)電子眼系統通過路面下埋設的感應線來感知汽車的壓力。感應線是一個壓電薄膜傳感器，壓電薄膜在受壓時兩端產生電壓，電壓隨壓力變化而變化，壓力越大電壓越大，壓力不變，電壓一定。壓電薄膜與電容器C、電阻R組成圖甲所示的回路。紅燈亮時，如果汽車的前、后輪先后經過感應線，回路中會產生兩個脈沖電流，如圖乙所示，即視為“闖紅燈”，電子眼自動拍照記錄。則紅燈亮時
A.車輪停在感應線上時電阻R上有恒定電流
B.車輪經過感應線的過程中，電容器先放電
　后充電
C.車輪經過感應線的過程中，電阻R上的電流一直增大
D.汽車前輪剛越過感應線，又倒回到線內，會被電子眼拍照
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汽車停在感應線上時，汽車對壓電薄膜的壓力不變，電壓恒定，電路中沒有電流，A錯誤；
車輪經過感應線時，電容器先充電后放電，電流不會一直增大，B、C錯誤；
汽車前輪兩次經過感應線，產生兩個脈沖電流，所以會被電子眼拍照，D正確。
4.(多選)如圖為電容式位移傳感器的示意圖，測出電容C的變化即可知道物體位移x的變化，表示該傳感器的靈敏度。電容器極板和電介質板長度均為L，測量范圍為-≤x≤，下列說法正確的是
A.若電容器的電容變大，物體向-x方向運動
B.若電容器的電容變大，物體向+x方向運動
C.電介質的相對介電常數越大，傳感器靈敏度越高
D.電容器的板間電壓越大，傳感器靈敏度越高
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根據電容決定式C=可知，電容器的電容變大，說明電容器極板間的電介質板長度增加，則物體沿-x方向運動，故A正確，B錯誤。
電介質的相對介電常數εr越大，電介質板移動相同的位移，電容的變化量ΔC越大，傳感器靈敏度越高，故C正確。
電容器的板間電壓變大，但電容不發生變化，則傳感器靈敏度不變，故D錯誤。
極，當用戶手指觸摸電容觸摸屏時，手指和工作面形成一個電容器，因為工作面上接有高頻信號，電流通過這個電容器分別從屏的四個角上的電極中流出，且理論上流經四個電極的電流與手指到四個角的距離成比例，控制器通過對四個電流比例的精密計算確定手指位置。對于電容觸摸屏，下列說法正確的是
5.目前智能手機普遍采用了電容觸摸屏，電容觸摸屏是利用人體的電流感應進行工作的，它是一塊四層復合玻璃屏，玻璃屏的內表面和夾層各涂一層ITO(納米銦錫金屬氧化物)，夾層ITO涂層作為工作面，四個角引出四個電
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A.電容觸摸屏觸摸時，不需要壓力即能產生
　位置信號
B.使用絕緣筆在電容觸摸屏上也能進行觸控
　操作
C.手指壓力變大時，由于手指與屏的夾層工
　作面距離變小，電容變小
D.手指與屏的接觸面積變化時，電容不變
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由題干可以看出當用戶手指觸摸電容觸摸屏時，手指和工作面形成一個電容器，因為工作面上接有高頻信號，電流通過這個電容器分別從屏的四個角上的電極中流出，且理論上流經四個電極的電流
與手指到四個角的距離成比例，控制器通過對四個電流比例的精密計算來確定手指位置，故A正確；
絕緣筆不能導電，不能和工作面形成一個電容器，所以不能進行操作，故B錯誤；
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根據C=可知，手指壓力變大時，手指與屏的接觸面積變大時，電容變大，故C、D錯誤。
考點二　傳感器與電路綜合
6.(2023·岳陽市第一中學高二期末)某種酒精測試儀是利用二氧化錫半導體型酒精氣體傳感器，酒精氣體傳感器的電阻隨酒精氣體濃度的變化而變化，在如圖所示的電路中，不同的酒精氣體濃度對應著傳感器的不同電阻，如果二氧化錫半導體型酒精氣體傳感器電阻的倒數與酒精氣體的濃度成正比，那么，電壓表示數U與酒精氣體濃度c之間的對應關系正確的是
A.U越小，表示c越大，c與U成反比
B.U越小，表示c越大，c與U不成反比
C.U越小，表示c越小，c與U成正比
D.U越大，表示c越大，c與U不成正比
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設酒精氣體傳感器的電阻為R'，則=kc，k是比例系數，根據閉合電路歐姆定律得，電壓表示數U==，可見，c越大，則U越大，但U與c不成正比，故選D。
答案　U=
7.有一種角速度計可以測量航天器的轉動角速度，其結構如圖所示，角速度計固定在待測裝置上，元件A可在光滑桿上滑動，靜止時，電壓輸出剛好為零。當裝置繞豎直軸OO'轉動時，元件A在光滑桿上發生位移并輸出電壓信號，成為航天器制導系統的
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信息源。已知A的質量為m，彈簧的勁度系數為k，自然長度為l0，電源的電動勢為E，內阻不計，滑動變阻器B總長度為l，當系統以角速度ω轉動時，求電壓表讀數U與ω的函數關系。
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當系統以角速度ω轉動時，對元件A，彈簧彈力提供其做圓周運動的向心力，
有kx=mω2(l0+x)
電壓表的讀數U=E
解得U與ω的函數關系為U=
當x=l時，U=E，ω=
上式成立的條件是ω≤。
8.(2023·福建省銘選中學等三校高二期中)如圖所示為某汽車的加速度傳感器的俯視圖。金屬塊左、右側分別連接電介質、輕質彈簧，彈簧與電容器固定在外框上，金屬塊可帶動電介質相對于外框左右移動(不能上下移動)，電容器與電源連接，并串聯計算機的信號采集器。關于該傳感器的說法正確的是
A.汽車保持靜止時，電容器不帶電
B.汽車靜止時與直線運動時，電容器的電
　容可能相同
C.汽車由靜止突然向右加速，電路中有逆
　時針方向的電流
D.汽車向右做勻加速直線運動過程中，電路中始終有順時針方向的電流
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能力綜合練
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汽車保持靜止時，Q=CU，電容器帶電，故A錯誤；
汽車靜止時與勻速直線運動時，彈簧長度相同，電容器的電容相同，故B正確；
當汽車向右加速運動時，電容器電介質相對于電容器向左運動，由C=可知電容變大，因兩極板間的電壓不變，則電容器的電荷量變大，電容器充電，電路中有順時針方向的電流，故C錯誤；
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汽車向右做勻加速直線運動過程中，加速度不變，彈簧伸長量不變，電容器充電完成后，電路中不再有電流，故D錯誤。
9.某實驗小組為研究保溫式自動電飯鍋中用于監測溫度的熱敏電阻RT的特性，設計了以下實驗：
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(1)首先利用多用電表粗略測量與電飯鍋中型號相同的熱敏電阻常溫狀態下的阻值，多用電表的旋鈕置于電阻“×100”的擋位時示數如圖甲所示，則該熱敏電阻的阻值為 _______Ω；
3 200
由題圖甲可知該熱敏電阻的阻值為RT=32×100 Ω=3 200 Ω。
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(2)該實驗小組為了進一步探究熱敏電阻的特性，設計了圖乙所示的電路，電路中的電表均為理想電表，定值電阻R0=2 kΩ；
①開關閉合前，滑動變阻器的滑動觸頭應置于最____
(選填“左”或“右”)端；
左
為保護電路元件，應使閉合開關后分壓電路的電壓為零，所以開關閉合前，滑動變阻器的滑動觸頭應置于最左端。
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②某次實驗，電壓表V1、V2的示數分別為3.0 V、4.5 V，則熱敏電阻的阻值為　　 kΩ；
3
由串聯分壓規律可得=
解得RT'=3 kΩ。
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(3)通過多次實驗，作出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖像如圖丙所示，當RT=2 kΩ時，熱敏電阻所處環境的溫度約為　　℃；
38
由題圖丙可知，當RT=2 kΩ時，熱敏電阻所處環境的溫度約為38 ℃。
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(4)該自動電飯鍋采用感溫磁控元件(圖中虛線框內)控制加熱電路通或斷，當磁控元件輸入端a、b間的電壓大于某一值時開關S閉合，加熱電路接通。若設定鍋內溫度低于60 ℃時，加熱電路接通，則下列電路符合要求的是　　。
B
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由串聯分壓規律可知阻值越大時分壓越大，由題圖丙可知，RT隨溫度降低而升高，而由題意可知鍋內溫度低于60 ℃時，磁控元件輸入端a、b間的電壓應始終大于某一值，即a、b間的電壓應隨溫度的降低而增大，所以符合要求的是電路B。
10.(2023·濰坊市測評)市面上有一種銅熱電阻溫度傳感器Cu50(如圖甲所示)，銅熱電阻封裝在傳感器的探頭內。某物理興趣小組查到了熱電阻Cu50的阻值隨溫度變化的一些信息，并繪制出了如圖乙所示圖像，該小組想利用這種傳感器制作一個溫度計，他們準備的實驗器材如下：干電池，電動勢為1.5 V，內阻不計；毫安表，量程20 mA，內阻為15 Ω；電阻箱；開關、導線若干。
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尖子生選練
(1)若直接將干電池、開關、毫安表、銅熱電阻溫度傳感器Cu50串接成一個電路作為測溫裝置，則該電路能測的最低溫度為　　 ℃。
50
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由題意知毫安表量程為20 mA，所以電路的總電阻
最小為Rmin== Ω=75 Ω
所以銅熱電阻的電阻為
R'=Rmin-RA=75 Ω-15 Ω=60 Ω
由R-t圖像可知R=50+0.2t Ω
解得t=50 ℃。
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(2)該實驗小組為了使溫度從0 ℃開始測量，又設計了如圖丙
所示的電路圖，其中R為銅熱電阻，R1為電阻箱，并進行了如
下操作：
a.將傳感器探頭放入冰水混合物中，過一段時間后閉合開關，
調節電阻箱R1，使毫安表指針滿偏，此時R1=　　Ω；
b.保持電阻箱的阻值不變，把傳感器探頭放入溫水中，過一段時間后閉合開關，發現毫安表的讀數為18.0 mA，則溫水的溫度為　　 ℃(保留2位有效數字)；
c.寫出毫安表的電流I(A)和溫度t(℃)的關系式　　　　　；
d.根據關系式將毫安表刻度盤上的電流值改寫為溫度值，這樣就可以通過毫安表的表盤直接讀出被測物體的溫度。
10
42
I=
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將傳感器探頭放入冰水混合物中，此時溫度為0 ℃，由題圖乙可得，此時銅熱電阻為R″=50 Ω
過一段時間后閉合開關，調節電阻箱R1，使毫安表指針滿偏，此時
R1=Rmin-RA-R″=75 Ω-15 Ω-50 Ω=10 Ω
當電流為18 mA時，銅熱電阻為
= Ω-15 Ω-10 Ω≈58.3 Ω
所以此時溫度為t= ℃=41.5 ℃≈42 ℃
由題意可得-25=50+0.2t，則毫安表的電流I(A)和溫度t(℃)的關系式為I=。
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(3)若干電池用久了后其電動勢不變，而內阻明顯變大，其他條件不變。若使用此溫度計前按題(2)中a步驟的操作進行了調節，仍使毫安表指針滿偏；測量結果將會　　　(填“偏大”“偏小”或“不變”)。
不變
因為在操作a步驟時，要調節電阻箱使電流表滿偏，當電源內阻增大時，會將電阻箱電阻調小，但總和不變，所以對結果無影響。
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