5.2常见传感器的工作原理及应用（word版含答案）

人教版（2019）选择性必修二 5.2 常见传感器的工作原理及应用
一、单选题
1．图为苹果自动分拣装置，可以把质量大小不同的苹果，自动分拣开。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上，杠杆末端压在压力传感器R1上。当大苹果通过托盘秤时，R1所受的压力较大因而电阻较小，R2两端获得较大电压，该电压激励放大电路并保持一段时间，使电磁铁吸动分拣开关的衔铁，打开下面通道，让大苹果进入下面通道；当小苹果通过托盘秤时，R2两端的电压不足以激励放大电路，分拣开关在弹簧向上弹力作用下处于水平状态，小苹果进入上面通道。托盘停在图示位置时，设进入下面通道的大苹果最小质量为M0，若提高分拣标准，要求进入下面通道的大苹果的最小质量M大于M0，下面操作可行的是（　　）
A．其他条件不变的情况下，只将托盘秤压在杠杆上的位置向左移动一些
B．其他条件不变的情况下，只适当减小R2的阻值
C．其他条件不变的情况下，只改变放大电路中电磁铁部分导线绕行的方向
D．其他条件不变的情况下，只增大和传感器R1相连接电路中电源电动势
2．如图所示，两块水平放置的金属板距离为d，用导线、电键K与一个n匝的线圈连接，线圈置于方向竖直向上的变化磁场B中。两板间放一台小压力传感器，压力传感器上表面静止放置一个质量为m、电荷量为＋q的小球。K断开时传感器上有示数，K闭合时传感器上恰好无示数。则线圈中的磁场B的变化情况和磁通量变化率分别是（　　）
A．正在增加，
B．正在增加，
C．正在减弱，
D．正在减弱，
3．下列说法不正确的是（　　）
A．电熨斗中的双金属片是温度传感器
B．金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差
C．霍尔元件是能够把磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量的传感器
D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量
4．已知光敏电阻在没有光照射时电阻很大，并且光照越强阻值越小，利用光敏电阻作为传感器设计了如图所示电路，电源电动势E和内阻r不变，当光照强度增强时，则
A．电灯L变亮
B．光敏电阻两端的电压减小
C．变阻器R的功率减小
D．电源的输出功率增大
5．传感器能够把非电学量转化为电学量，可以很方便地测量、传输、处理和控制。关于光敏电阻在传感器中的作用，下列说法正确的是（　　）
A．将热信号转化为电信号 B．将光信号转化为电信号
C．将力信号转化为电信号 D．将磁信号转化为电信号
6．如图甲所示的电路中，理想变压器原、副线圈匝数比为10：1，原线圈接入图乙所示的正弦脉冲电压，副线圈接火灾报警系统（报警器未画出），电压表和电流表均为理想电表，R0为定值电阻，R为半导体热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小。下列说法中正确的是（　　）
A．图乙中电压的有效值为220V B．电压表的示数为11V
C．R处出现火警时电流表示数变小 D．R处出现火警时电阻R0消耗的电功率减小
7．传感器在日常生活中的应用随处可见，下列说法不正确的是（　　）
A．血糖仪利用葡萄糖生物传感器制成
B．可燃气体报警器利用电化学气体传感器制成
C．电梯超出负载发出报警提示的报警器利用压力传感器制成
D．全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该装置利用温度传感器制成
8．某学校创建绿色校园，如图甲所示为新装的一批节能路灯，该路灯通过光控开关实现自动控制：路灯的亮度可自动随周围环境的亮度改变而改变。如图乙所示为其内部电路简化原理图，电源电动势为E，内阻为r，为光敏电阻（光照强度增加时，其电阻值减小）。现增加光照强度，则下列判断错误的是（　　）
A．灯都变暗 B．电源的输出功率变小
C．电源的效率变小 D．上电流的变化量大于上电流的变化量
9．如图是应用光敏电阻设计的实验电路。闭合开关后，用光照向光敏电阻，发现光照强度增加时，灯变得更亮，下列分析正确的有（　　）
A．光敏电阻的阻值随光照强度增加而增大
B．光敏电阻的阻值不随光照强度的变化而变化
C．灯变得更亮，说明电路中的总电阻变小
D．灯变得更亮，说明电路中的总电阻变大
10．霍尔元件是实际生活中的重要元件之一，广泛应用于测量和自动控制等领域.如图所示为一长度一定的霍尔元件，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面向下，在元件中通入图示从E到F方向的电流I，其中元件中的载流子是带负电的电荷，下列说法中正确的是（ ）
A．该元件能把电学量转化为磁学量
B．该元件C面的电势高于D面的
C．如果用该元件测赤道处地磁场的磁感应强度，应保持工作面水平
D．如果流过霍尔元件的电流大小不变，则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
11．下列关于传感器的说法，正确的是（ ）
A．金属热电阻是一种可以将电学量转换为热学量的传感器
B．传感器不是电视遥控接收器的主要元件
C．干簧管是一种能够感知电场的传感器
D．传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量或转换为电路的通断
12．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是（　　）
A．从0到t1时间内，升降机一定静止
B．从t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C．从t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D．从t2到t3时间内，升降机可能向下匀加速运动
二、填空题
13．如图所示，是自动水位报警器的示意图，其中继电器的线圈通过电流时，磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触．若要求水位正常时绿灯亮，高出一定水位时红灯亮，现有红、绿灯泡各一个，红灯泡应安在________位置，绿灯泡应安在________位置（填A或B）．
14．现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警．提供的器材有：热敏电阻，报警器（内阻很小，流过的电流超过时就会报警），电阻箱（最大阻值为999.9 Ω），直流电源（输出电压为U，内阻不计），滑动变阻器（最大阻值为1 000 Ω），滑动变阻器（最大阻值为2 000 Ω），单刀双掷开关一个，导线若干．
在室温下对系统进行调节，已知U约为18 V，约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω．
（1）在答题卡上完成待调节的报警系统原理电路图的连线_________．
（2）在电路中应选用滑动变阻器________（填“”或“”）．
（3）按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为______Ω；滑动变阻器的滑片应置于______（填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是______．
②将开关向______（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至______．
（4）保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用．
15．将一个力传感器连接到计算机上，我们就可以测量快速变化的力，图中所示就是用这种方法测得的小滑块在半球形碗内在竖直平面内来回滑动时，对碗的压力大小随时间变化的曲线，从这条曲线提供的信息，可以判断滑块约每隔________s经过碗底一次；若滑块质量为0.1kg，半圆形碗的半径为15cm，则从图像中能观察到滑块运动过程中的最大速度为________m/s。
16．DIS数字化信息系统主要包括________、处理和显示三个部分。如图所示传感器的名称为________传感器。
17．与金属不同的是，有些半导体的导电能力随温度的升高而________，故可以用半导体材料制作________。
三、解答题
18．下雨、天黑指示灯的模块电路设计。设计目标：请为一指示灯做设计，当同时满足下雨及天黑时指示灯亮。
19．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、压力传感器 R (是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(实质是理想电流表)．设踏板的质量可忽略不计，已知理想电流表的量程为 0~3A，电源电动势为 E=15V，内阻为 r=1Ω，电阻R随踏板变化的函数为R=29-0.02F (F和R的单位分别是 N 和Ω)．
（1）求该秤零刻度线 ( 即踏板空载时的刻度线)对应的流强度大小；
（2）求该秤能测量的最大体重；
（3）该秤的刻度(体重刻度)是否均匀
20．请用仪器：热敏电阻，学生电源，继电器，滑动变阻器，开关，导线等设计一个由温度控制小灯泡发亮的电路．
21．如图所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图.薄金属片P上固定有4个可以发生形变的电阻、、、，如图甲所示.图乙是它的侧视图，这4个电阻连成的电路如图丙所示，试回答下列问题：
（1）开始时金属片中央O点未加任何压力，欲使电压表无示数，则4个电阻应满足怎样的关系？
（2）当O点加一个垂直于金属片的压力F后，薄金属片P发生形变，这时4个电阻也随之发生形变，形变后各电阻阻值大小如何变化？
22．许多会议室和宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器。有一种火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的。如图所示，带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管（也是一种晶体管，有三个电极，当光照强弱变化时，电极间的电阻随之变化）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。
你能说说类似这种光电式传感器还能在哪些场合应用吗？
试卷第1页，共3页
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参考答案：
1．B
【解析】
【分析】
【详解】
A．要求进入下面通道的大苹果的最小质量M大于M0，则要求当此大苹果通过托盘时，压力传感器的压力与原来一致，可知其他条件不变的情况下，只将托盘秤压在杠杆上的位置向右移动一些；选项A错误；
B．因要达到题中的要求，就要使得R2两端电压保持不变，因压力越大，电阻R1越小，此时回路中的电流越大，R2的电压就会变得更大，则要想保持R2的电压和原来一致，则只适当减小R2的阻值，选项B正确；
C．其他条件不变的情况下，只改变放大电路中电磁铁部分导线绕行的方向对磁性大小无影响，选项C错误；
D．因要达到题中的要求，就要使得R2两端电压保持不变，因R1减小，而其他条件不变的情况下，只能减小和传感器R1相连接电路中电源电动势，选项D错误。
故选B。
2．B
【解析】
【详解】
K闭合时传感器上恰好无示数，说明小球所受电场力和重力平衡，由于小球带正电，所以电容器上极板为负，由楞次定律，可知线圈中的磁场B正在增加。根据分析列出方程
解得
故选B。
3．D
【解析】
【详解】
A．利用双金属片温度传感器，可以控制电熨斗的温度，故A与题意不符；
B．金属热电阻由金属材料制成，其化学稳定性好，但灵敏度差，故B与题意不符；
C．霍尔元件是能够把磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量的传感器，故C与题意不符；
D．热敏电阻是把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，故D与题意相符。
故选D。
4．B
【解析】
【详解】
根据“串反并同”可知，当光照强度增强时，光敏电阻阻值减小，且电灯L与光敏电阻并联，所以电灯L的电功率变小即变暗，电灯L两端电压减小，电灯L中的电流减小，由于电流表与光敏电阻串联，所以电流表示数增大，则流过光敏电阻所在支路的电流增大，电阻R两端电压增大，所以光敏电阻两端的电压减小，变阻器与光敏电阻串联，所以变阻器R的功率增大，根据当外电阻与电源内阻越接近电源输出功率越大，由于不知外电阻与电源内阻的关系，所以无法确定电源功率的变化，故B正确。
故选B。
5．B
【解析】
【详解】
光敏电阻的作用是为了检测光信号的变化，所以光敏电阻的作用是将光信号转化为电信号，故ACD错误，B正确。
故选B。
6．B
【解析】
【分析】
【详解】
A．图乙中电压的最大值，则有
解得，电压的有效值为
故A错误；
B．变压器原、副线圈中的电压与匝数成正比，所以变压器原、副线圈中的电压之比是10：1，所以电压表的示数为，故B正确；
CD．R处温度升高时，电压表示数不变，阻值减小，副线圈电流I2增大，则输出功率增大，而输出功率和输入功率相等，所以原线圈电流增大，即电流表示数增大，根据知，电阻R0消耗的电功率增大，故CD错误。
故选B。
7．D
【解析】
【分析】
【详解】
A．血糖仪利用葡萄糖生物传感器制成，A正确，不符合题意；
B．可燃气体报警器利用电化学气体传感器制成，B正确，不符合题意；
C．电梯超出负载发出报警提示的报警器利用压力传感器制成，C正确，不符合题意；
D．全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该装置利用压力传感器制成，D错误，符合题意。
故选D。
8．B
【解析】
【详解】
A．光照强度增加，光敏电阻的阻值减小，电路的总电阻减小，故电路的总电流增大，电源内电压增大，路端电压减小，A灯变暗，流过的电流增大，两端的电压增大，两端电压减小，B灯两端的电压减小，B灯变暗，A正确，不符合题意；
B．由电路的输出功率和外电路电阻的关系图
因不知内阻和外阻之间的关系，因此无法判断输出功率的变化，B错误，符合题意；
C．电源的效率为，路端电压减小，电源的效率变小，C正确，不符合题意；
D．通过的电流等于通过光敏电阻的电流与通过B灯的电流之和，根据前面的分析，通过B灯的电流减小，而通过的电流增大，故上电流的变化量大于上电流的变化量，D正确，不符合题意。
故选B。
9．C
【解析】
【分析】
【详解】
由于用光照向光敏电阻，发现光照强度增加时，灯变得更亮，则电路的电流变大，总电阻减小，所以光敏电阻的阻值随光照强度增加而减小，则ABD错误；C正确；
故选C。
10．D
【解析】
【详解】
A．霍尔元件是能够把磁学量转换为电学量的传感器，故A错误；
B．根据左手定则可知，带负电的电荷向C面偏转，C面带负电，D面带正电，所以D面的电势高，故B错误；
C．在测定地球赤道处的地磁场的磁感应强度时，应将元件的工作面保持竖直，让磁场垂直通过元件的工作面，故C错误；
D．运动电荷最终在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态，设霍尔元件的长、宽、高分别为a、b、d，则有
电流的微观表达式为
所以
如果流过霍尔元件的电流大小不变，则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比，故D正确。
故选D。
11．D
【解析】
【详解】
A．金属热电阻是一种将温度这个热学量转化为电阻这个电学量的传感器，故A错误；
B．电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器，故B错误；
C．干簧管是一种能够感知磁场的元件，故C错误；
D．传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或转换为电路的通断，故D正确。
故选D。
12．C
【解析】
【分析】
【详解】
A．0～t1时间内，电流不变，根据欧姆定律可知电路中的总阻值不变，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；
BC．t1到t2时间内，电流增大，电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，静止时
FN＝mg
t1到t2时间内根据牛顿第二定律
FN－mg＝ma
合力向上，加速度向上，向上做加速度增大的加速运动或向下做加速度增大的减速运动，故B错误，C正确；
D．t2到t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，对物块受力分析，受到重力和支持力，根据牛顿第二定律
FN－mg＝ma
合力向上，加速度向上，加速度不变，所以t2到t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误。
故选C。
13． B A
【解析】
【分析】
【详解】
[1][2]当水位正常时，容器中的金属片断开，电磁铁断电没有磁性，绿灯所在电路接通，绿灯亮；当水位升高，水是导体，当水位达到一定高度是容器中金属片接通时，电磁铁通电有磁性，把衔铁吸引下来，红灯所在电路接通，红灯亮，发出报警信号．故红灯泡应安在B位置，绿灯泡应安在A位置。
14． 连线如图所示：
R2 650.0 b 接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏 c 报警器开始报警
【解析】
【详解】
试题分析：（1）电路连线如图．
（2）在室温下对系统进行调节，已知U约为18 V，约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏，可知外电阻的取值范围大约是，报警器的电阻是650.0 Ω，所以滑动变阻器的取值范围在250 Ω到1 150 Ω之间，所以滑动变阻器应该选R2．
（3）①本题采用的是等效替换法，先用变阻箱来代替热敏电阻，所以变阻箱的阻值要调节到热敏电阻的临界电阻也就是在60 ℃时阻值为650.0 Ω；为防止接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏，滑动变阻器的滑片应置于b端；②先把变阻箱的电阻接入电路，调节滑动变阻器的电阻，调至报警器开始报警时，保持滑动变阻器的阻值不变，接到热敏电阻上，当热敏电阻的阻值是650.0 Ω时，也就是温度达到了60 ℃，报警器开始报警．
【考点定位】闭合电路欧姆定律的应用、等效替换法
【名师点睛】本题主要考查闭合电路欧姆定律的应用、等效替换法．要特别注意本题使用了等效替换法，先用电阻箱的阻值来代替热敏电阻来调节电路，再接入热敏电阻时，就可以直接工作，这种做法灵活、方便、安全．
15． 1.0 0.95
【解析】
【详解】
[1]滑块每次经过最低点时，速度最大，弹力最大，由图像可以看出每经过1.0s，弹力最大，所以滑块每隔1.0s经过碗底一次；
[2]从图像可判断知，球对碗的最大压力为1.6N，此时对应的速度最大，根据半球形碗对滑块的支持力与重力的合力提供向心力，由牛顿第二定律有
代入相关数据，即可求解最大速度为
16． 数字处理 力
【解析】
【详解】
[1][2]DIS数字化信息系统主要包括数字处理、处理和显示三个部分；该传感器的名称是力的传感器。
17． 增强 热敏电阻
【解析】
【详解】
[1][2]与金属不同的是，有些半导体的导电能力随温度的升高而增强，故可以用半导体材料制作热敏电阻。
18．见解析
【解析】
【分析】
【详解】
（1）传感器：x光敏电阻，y：湿度传感器。
控制器：与门。
执行器；灯。
（2）模块电路设计图，如图所示。
（3）真值表。
输入 输出
A B Z
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
（4）原理：天黑时，光敏电阻阻值大，A点为高电势1；下雨时，湿度传感器导通，B点为高电势1。
注意分压知识在逻辑电路中应用。在该实例中的A输入端，光强大时，光敏电阻小，分压相对较少，大量电压分到可变电阻上，A点电势为低电势0。因此只有在晚上光弱时，A点电势才为高电势1。
19．（1）0.5A；（2）1250N；（3）刻度不均匀
【解析】
【分析】
由零刻度线(即踏板空载时的刻度线)对应的压力F=0，根据闭合电路欧姆定律可求得对应电流和最大体重，由电流与F的关系可判断刻度是否均匀．
【详解】
（1）由题意，零刻度线(即踏板空载时的刻度线)对应的压力F=0，由电阻R随踏板变化的函数关系R=29-0.02F，此时R=29Ω，由闭合电路欧姆定律I=，代入E=15V，内阻为r=1Ω得：该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)对应的流强度大小I=0.5A
（2）由题意可知， F越大，R越小，由闭合电路欧姆定律知电流强度I越大，所以当电流表达到满量程I=3A时F最大．
根据I=，把R=29-0.02F，E=15V，r=1Ω，I=3A代入得：
该秤能测量的最大体重F=1250N
（3）由I=知，电流I与F不成正比，刻度不均匀．
20．
【解析】
【详解】
设计图如图，
闭合S1后，有电流通过继电器，但R1较大，继电器产生的磁场较弱，当R1的温度升高，电阻减小，继电器产生的磁场显著增大，S2被吸下来，小灯泡发光，温度降低，磁性减弱，S2弹开，小灯泡熄灭，从而达到由温度控制灯泡的亮和灭
21．（1）（2）、的阻值增大，、的阻值减小
【解析】
【详解】
（1）解题的关键是找出电路中A、B两点的电压与4个电阻的关系.由于电压表的电阻可以看作无穷大，因此本电路中与串联，与串联，然后它们再并联；设上面支路电流为，下面支路电流为，要使A点电势等于B点电势，则应有电阻两端的电压等于两端的电压，电阻两端的电压等于两端的电压，即
①
②
联立①②式得
.
（2）当O点加垂直于金属片的压力F后，金属片发生形变，由于电阻是固定在金属片上的，因此、被拉长，、被拉宽，则、的阻值增大，、的阻值减小，这时A、B两点电势不再相等.
22．见详解
【解析】
【详解】
（1）工业烟尘浊度监测：烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的，如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，使照射到光电三极管上的光线减少，其电阻变大，与传感器连接的电路检测出这种变化，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。
（2）条形码扫描笔：当扫描笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管的光线将被黑线吸收，光电三极管接收不到反射光，呈高阻抗，处于截止状态，当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光电三极管的基极，光敏三极管产生光电流而导通，整个条形码被扫描过之后，光电三极管将条形码变形一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成脉冲列，再经计算机处理，完成对条形码信息的识别。
（3）工业产品计数器或者银行点钞机：当产品陆续通过光源和光电传感器之间的时候，就会不断的遮挡相应的光源到光电传感器相应的光路，光电三极管的电阻就会发生变化，对于相应的光电脉冲电路就会产生电脉冲信号，当通过的产品遮光一次的时候，光电传感器电路就会生产一个脉冲，以此类推，最后输出脉冲数就是产品数，相应的计数会通过显示电路显示出来。
（4）测量机器转速：在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色，转动时，反射光与不反射光交替出现，光电传感器相应地间断接收光的反射信号，并输出间断的电信号，再经放大器及整形电路放大整形输出方波信号，最后由电子数字显示器输出电机的转速。
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