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1.认识传感器
2.常见传感器的工作原理及应用
第五章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
课 标 定 位
1.了解什么是传感器,知道非电学量转化为电学量的技术意义。了解传感器的分类。
2.了解传感器的组成及传感器应用的一般模式。
3.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片的工作原理和作用。知道传感器在日常生活和生产中的应用。
素 养 阐 释
1.通过传感器的学习,形成物理观念。
2.能够根据传感器的工作原理简单分析传感器的应用,掌握科学思维的方法。
3.体会传感器原理及应用在生活、生产、科技社会中的价值,增强学习兴趣,培养良好的科学态度与责任。
自主预习·新知导学
一、神奇的传感器
1.传感器的定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。
2.非电学量转换为电学量的技术意义是什么
提示:把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
3.干簧管是由什么组成的 它是一种能感知什么的传感器
提示:由玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片构成。当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通,起开关作用。干簧管是一种能感知磁场的传感器。
二、传感器的种类
1.按与学科关联分类
2.按物理原理分类
根据被测量的不同,可分为声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器。
根据具体工作原理的不同,可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。
三、传感器的组成与应用模式
1.传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。
2.敏感元件:指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
3.转换元件:指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
4.敏感元件和转换元件的功能分别是什么
提示:它们分别完成检测和转换两个基本功能。
5.传感器应用的一般模式是什么
提示:
四、光敏电阻
1.特点:光敏电阻在被光照射时电阻发生变化。
2.原因:光敏电阻的构成物质——硫化镉是一种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能差;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好。
3.作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
4.光敏电阻的应用:光电计数。
五、金属热电阻和热敏电阻
1.金属热电阻
金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻。图甲所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
2.热敏电阻
有些半导体在温度上升时导电能力增强,因此可以用半导体材料制作热敏电阻。图乙所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。
3.热敏电阻与金属热电阻的异同点有哪些
提示:
4.热敏电阻的应用:测量温度、低油位报警装置等。
六、电阻应变片
1.金属的电阻应变效应:金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或
缩短)时,其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象。
2.金属电阻应变片的制成原理:金属的电阻应变效应。
3.半导体电阻应变片工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
4.电阻应变片的作用:能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
5.力传感器的应用、组成、工作原理及作用分别是什么
提示:力传感器的应用:电子秤;组成:由金属梁和电阻应变片组成;工作原理:金属梁自由端受力F→梁发生弯曲→应变片的电阻变化→两应变片上电压的差值变化;作用:应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
6.光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片等电阻式传感器的工作共性是什么
提示:通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。
7.电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。( )
(2)传感器就是传递某种信息的电学元件。( )
(3)传感器内部一定有某种转换元件。( )
(4)干簧管中的两个簧片始终是分离的。( )
(5)所有传感器的工作原理都一样。( )
(6)随着光照的增强,光敏电阻的电阻值逐渐增大。( )
(7)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。( )
×
×
√
×
×
×
×
2.传感器是将非电学量转换为电学量或电路的通断的装置,请列举日常生活中见到的传感器。
提示:马路两旁的自动控制路灯开关的装置,楼道内的声控灯装置,有些汽车、电动车上安装的自动报警装置等。
3.为解决楼道里的照明问题,在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接。当楼道内有人走动而发出声响时,电灯即与电源接通而发光,这种传感器是什么传感器 它的输入、输出信号各是什么
提示:它是声电传感器,输入的是声信号,输出的是电信号。
4.有一种电水壶为了防止烧干后引起事故,在水壶上安装了传感器,当壶中的水减少到一定程度时,就会自动断电,这种水壶上安装了什么样的传感器
提示:这种水壶上安装了压力传感器,当水壶中的水减少到一定程度时,压力减小,压力传感器使电路断开,起保护作用。
5.火灾探测器的核心元件为气敏传感器,当烟雾在空气中的浓度超过设定值时,可以触发报警,并对外发出声光报警信号。此时传感器是将什么量进行转化的
火灾探测器
提示:传感器是将烟雾产生的光学量转化为电学量。
6.下图为一冷库中的自动控温设备,容器中是导电液体,其液面与两个电极刚刚接触,试探究分析其自动控温的原理。
提示:冷库中温度较低时,导电液体积较小,此时两电极未与导电液接触,制冷机不工作;当冷库中温度升高时,导电液受热膨胀,体积增大,液面升高,当液面与两电极接触时,电路接通,制冷机开始工作;冷库温度降低,导电液温度降低,液面下降,当液面与电极分离时,电路断开,制冷机停止工作。
合作探究·释疑解惑
知识点一
传感器的工作原理
【问题引领】
当你走近自动门时,为什么门会自动打开 电饭煲为什么能自动加热和保温而不会把饭烧焦 为什么电梯的两门靠拢接触到人体时,门又会自动打开而不会夹伤人
1.其中的原因是什么呢
提示:都要归功于现代传感器技术的发展和应用。
2.什么是传感器呢 说一说传感器的一般结构。
提示:传感器是指这样一类器件或装置:它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量(非电学量),并能把它们按照一定的规律转化为便于传送和处理的可用信号(电压、电流等电学量或电路的通断)输出。传感器一般由敏感元件、转换元件组成。
【归纳提升】
1.与传感器相关的元件
(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,直接感受被测量,并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量。
(2)转换元件:通常不直接感受被测量,而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。
(3)信号调整与转换电路:将转换元件输出的电学量放大或转换成易于测量的电学量,如电压、电流等。
2.传感器的工作原理
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、电荷量等,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示:
非电学量→敏感元件→转换元件→电学量→信号调整与转换电路→电学量
3.在理解传感器的原理时要注意以下三点
第一,明确传感器所采用的核心部分是什么。
第二,传感器的输入量是什么。
第三,传感器的输出量是什么。
【典型例题】
【例题1】 (多选)下列说法正确的是( )
A.传感器担负着信息采集的任务
B.干簧管是一种能够感知磁场的传感器
C.传感器不是电视遥控接收器的主要元件
D.传感器是把力、温度、光、声、化学成分等转换为电信号的主要工具
答案:ABD
解析:传感器的任务就是采集信息,A对;干簧管的主要构造是由平行不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的,它靠近磁场时会被磁化,从而相互吸引而接触,B对;电视遥控接收器中使用了红外线传感器,故C错;由传感器的定义知D对。
不同类型的传感器,其工作原理一般不同,但大部分传感器是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。
【变式训练1】 关于传感器及其作用,下列说法正确的是( )
A.传感器一定是把非电学量转换为电学量
B.传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C.传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
D.电磁感应是把磁学的量转换为电学的量,所以电磁感应也是传感器
答案:C
解析:传感器是指一种元件或装置,它能感受力、温度、光、声、磁、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;其作用和目的是更方便地测量、传输、处理和控制。电磁感应是原理,不是元件和装置,不能称为传感器。
知识点二
对几种常见传感器元件特性的理解
【问题引领】
温度传感器广泛应用于家用电器(微波炉、空调、烤面包机、电磁炉、暖风机、冰箱、冷柜、热水器、饮水机、洗碗机、消毒柜、烘干机、中低温干燥箱、恒温箱等),医用、家用体温计,便携式非接触红外测温仪等许多方面。那么温度传感器是如何转换信号的呢
提示:温度传感器有热敏电阻、热电偶等。热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,如果将其串接在电路里,随着温度的变化电路里的电流就发生变化。这微小的变化经过电子线路放大,带动执行机构,就能实现温度控制了。
【归纳提升】
1.按热敏电阻随温度变化的规律,热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻。正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大,负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小,而且阻值的变化是非线性的。
2.光敏电阻的导电特性:光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体材料受到光照时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,材料的导电性能明显增强。光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大,而且阻值的变化是非线性的。
正温度系数的热敏电阻(PTC),其阻值随温度的升高而增大,而负温度系数的热敏电阻(NTC),其阻值随温度的升高而减小。
【例题2】 如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时( )
A.R1两端的电压增大 B.电流表的示数增大
C.小灯泡的亮度变强 D.小灯泡的亮度变弱
答案:C
解析:R2与灯L并联后与R1串联,与电源构成闭合电路,当热敏电阻温度降低时,电阻R2增大,外电路电阻增大,电流表读数变小,灯L两端电压增大,灯泡变亮,R1两端电压减小,故C正确,其余各项均错。
【典型例题】
解决含有热敏电阻和光敏电阻的电路动态分析问题时,首先要明确两种元件阻值大小的变化规律,然后根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况。
【变式训练2】 (多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时( )
A.电压表的示数增大
B.R2中电流减小
C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大
答案:ABC
解析:当照射光强度增大时,R3阻值减小,外电路电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,而电压表的示数增大,A项正确,D项错误;由路端电压减小,而R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,则R2中电流减小,故B项正确;结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,则小灯泡的功率增大,C项正确。
知识点三
霍尔元件
【问题引领】
如图所示,电流I流过长方体金属块,金属块宽度为d,高为h,有一磁感应强度为B的匀强磁场,垂直于金属块外侧向里,金属块单位体积内的自由电子数为n,金属块上、下表面哪面电势高 电势差是多少
【归纳提升】
1.电场的产生:运动的载流子在洛伦兹力作用下在导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场。
2.电压的形成:横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板两侧会形成稳定的电压: 。UH与B成正比是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。
3.霍尔效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中。例如用霍尔效应可以确定一种半导体材料是电子型还是空穴型。半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其他因素的影响很大,因此霍尔效应为研究半导体载流子浓度的变化提供了重要的方法。
4.利用霍尔效应做成的霍尔元件有很多方面的用途:例如测量磁感应强度,测量直流和交流电路中的电流和功率,转换信号(如把直流转换成交流并对它进行调制),放大直流或交流信号等。
【典型例题】
【例题3】 (多选)右图为某霍尔元件的工作原理示意图,该元件中电流I由正电荷的定向运动形成。下列说法正确的是( )
A.M点电势比N点电势高
B.用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度
C.用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量
D.若保持电流I恒定,则霍尔电压UH与B成正比
答案:BCD
解析:当正电荷定向运动形成电流时,正电荷在洛伦兹力作用下向N点所在电极聚集,M点所在电极感应出等量的负电荷,所以M点电势比N点电势低,选项A错误;根据霍尔元件的特点可知,选项B、C正确;因霍尔电压
,保持电流I恒定时,霍尔电压UH与B成正比,选项D正确。
【变式训练3】 (多选)下图是霍尔元件的工作原理示意图,如果用d表示薄片的厚度,k为霍尔系数,相对于一个霍尔元件d、k为定值,若保持电流I恒定,则可以验证UH随B的变化情况。以下说法正确的是( )
A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时,UH将变大
B.在测定地球两极的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平
C.在测定地球赤道上的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平
D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,UH将发生变化
答案:ABD
知识点四
传感器在生产、生活中的应用
【问题引领】
金属热电阻和由半导体材料制成的热敏电阻均可制成温度传感器,它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。电熨斗应用的就是温度传感器,观察一下电熨斗的结构。
1.常温下两触点是接触还是分离
提示:常温下两触点接触。温度升高,两种金属膨胀性能不同,双金属片形状发生变化,使触点分离。
2.如何用调温旋钮来升高或降低电熨斗的工作温度
提示:通过调温旋钮来调节升降螺丝的升降来实现不同温度的设定。如需设定的温度较高,则应使升降螺丝下降;反之应升高。
【归纳提升】
1.物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。可以把传感器的应用过程分为三个步骤:
(1)信息采集;
(2)信息加工、放大、传输;
(3)利用所获得的信息执行某种操作。
2.传感器的应用
(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等。
(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,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。
3.电容式传感器
(1)电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化,这种传感器称为电容式传感器。
(2)常见电容式传感器:
电容式传感器是一多功能传感器,可把压力、转角、位移、压强、声音等非电学量转换为电容这一电学量,分析原理时,关键要搞清是哪个非电学量转换为电容,然后结合电容的决定式来分析。
4.分析传感器问题要注意四点
(1)感受量分析。
要明确传感器所感受的物理量,如力、热、光、磁、声等。
(2)输出信号分析。
明确传感器的敏感元件,分析它的输入信号及输出信号,以及输入信号与输出信号间的变化规律。
(3)电路结构分析。
认真分析传感器所在的电路结构,在熟悉常用电子元件工作特点基础上,分析电路输出信号与输入信号间的规律。
(4)执行机构工作分析。
传感器的应用,不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程,还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
【典型例题】
【例题4】 如图所示,甲为在温度为10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图,箱内的电阻R1=20 kΩ,R2=10 kΩ,R3=40 kΩ,RT为热敏电阻,它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。a、b端电压Uab≤0时,电压鉴别器会令开关S闭合,恒温箱内的电热丝发热,使箱内温度升高;当a、b端电压Uab>0时,电压鉴别器会令开关S断开,停止加热。则恒温箱内的温度可保持在( )
甲
乙
A.10 ℃ B.20 ℃
C.30 ℃ D.45 ℃
答案:C
1.各种恒温装置都有分界点,这个分界点可以是电阻值、电压值、电流值。
2.分析传感器问题,一是要注意传感器感受出的是何物理量;二是要注意敏感元件输出哪种电信号。
【变式训练4】 温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用产品中,它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。如图甲所示,电源的电动势E=9.0 V,内阻可忽略不计;G为灵敏电流表,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻值与温度的变化关系如图乙所示。闭合开关,当R的温度等于120 ℃时,电流表示数I1=3 mA。求:
甲
乙
(1)电流表G的内阻Rg;
(2)当电流表的示数I2=1.8 mA时,热敏电阻R的温度。
答案:(1)1 000 Ω (2)20 ℃
解析:(1)由题图乙知热敏电阻R的温度在120 ℃时,电阻为2 kΩ,闭合电路的电流为I1=3 mA
根据闭合电路欧姆定律得
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(传感器的原理)关于传感器的下列说法正确的是( )
A.所有传感器的材料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.传感器都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
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,选项B正确;传感器能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变化,所以选项C错误;综上可知D错误。
2.(热敏电阻与光敏电阻)(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所示的电路中的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,下列说法正确的是( )
A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较
大的一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化
的一定是定值电阻
C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数变化较
大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数相同的一定是定值电阻
答案:AC
解析:热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故A正确,B错误;光敏电阻的阻值随光照的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化,故C正确,D错误。
3.(霍尔元件)关于霍尔元件,下列说法正确的是( )
A.它能把温度这个热学量转化为电阻这个电学量
B.它能把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量
C.它能把力这个力学量转化为电压这个电学量
D.它能把光照这个光学量转化为电阻这个电学量
答案:B
解析:霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转化为其两表面电压这个电学量的元件,故B正确。
4.(光传感器)右图是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图,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。发生火灾时,下列说法正确的是( )
A.进入罩内的烟雾遮挡了光线,使光电三极
管电阻更大,检测电路检测出变化,发出警报
B.光电三极管温度升高,电阻变小,检测电路
检测出变化,发出警报
C.进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,发出警报
D.以上说法均不正确
答案:C
解析:由火灾报警器的原理可知,发生火灾时烟雾进入罩内,使光发生散射,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,与传感器相连的电路检测出这种变化,发出警报,选项C正确。
5.(电容式传感器)传感器是将能感受的非电学量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件,在自动控制中有相当广泛的应用。如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯与导电液体构成一个电容器,从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况,则两者的关系是( )
①C增大表示h增大 ②C增大表示h减小
③C减小表示h减小 ④C减小表示h增大
A.只有①正确 B.只有①③正确
C.只有②正确 D.只有②④正确
答案:B
解析:液面高度的变化,相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时,相当于正对面积增大,则电容应增大;当h减小时,相当于正对面积减小,电容C应减小,B正确。
6.(力传感器)如图所示,实线是某同学利用力传感器悬挂一钩码在竖直方向运动时,数据采集器记录下的力传感器中拉力的大小变化情况。从图中可知道该钩码的重力约为 N。A、B、C、D四段图线中钩码处于超重状态的为 ,处于失重状态的为 。
答案:10 A、D B、C
解析:当拉力的大小不变时,力传感器悬挂的钩码在竖直方向是匀速运动,此时力传感器的读数就是钩码的重力,约10 N。当力传感器读数大于重力时,钩码处于超重状态,即A、D状态。当力传感器读数小于重力时,钩码处于失重状态,即B、C状态。
本 课 结 束1.认识传感器
2.常见传感器的工作原理及应用
课后训练巩固提升
一、基础巩固
1.传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量,其工作过程可能是( )
A.将力学量(如形变量)转换成磁学量
B.将电学量转换成热学量
C.将光学量转换成电学量
D.将电学量转换成力学量
答案:C
解析:传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量或电路的通断,故只有C项正确。
2.有一电学元件,温度升高时电阻却大幅度地减小,则这种元件使用的材料可能是( )
A.金属导体 B.绝缘体
C.半导体 D.超导体
答案:C
解析:金属导体的电阻随温度的升高而增大,超导体的电阻几乎为零,某些半导体的阻值随温度的升高而大幅度地减小。
3.用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。下列属于这类传感器的是( )
A.红外报警装置
B.走廊照明灯的声控开关
C.自动洗衣机中的压力传感装置
D.电饭煲中控制加热和保温的温控器
答案:A
解析:红外报警装置正是把光信号转化为电信号的器件。
4.(多选)电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件(如图所示),它的结构很简单,只是玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通,所以干簧管能起到开关的作用,操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。关于干簧管,下列说法正确的是 ( )
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C.两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引
D.干簧管接入电路中相当于开关的作用
答案:CD
解析:当磁体靠近干簧管时,两个簧片被磁化相互吸引而接通,故选项B错误,选项C正确;当磁体远离干簧管时,软磁性材料制成的簧片失去磁性,所以两簧片又分开,因此干簧管在电路中相当于开关的作用,选项A错误,选项D正确。
5.(2020江苏启东中学月考)下列关于传感器的说法不正确的是( )
A.热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
B.电子秤所使用的测力装置是力传感器,它是把电信号转化为力信号
C.金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以做温度传感器
D.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
答案:B
解析:电子秤所使用的测力装置是力传感器,利用通过应变片的电流一定,压力越大,电阻越大,应变片两端的电压差越大,将力信号变成电信号,故B错误;金属电阻率随温度升高而增大,金属和热敏电阻都可做温度传感器,把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,故A、C正确;光敏电阻是由半导体材料制成的,其电阻随光照的增强而减小,故它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量,故D正确。
6.办公大楼的自动门能“看到”人的到来或离去而自动开关,其中利用了下列传感器中的( )
A.生物传感器 B.红外线传感器
C.压力传感器 D.位移传感器
答案:B
解析:办公大楼的自动门当人到来或离去时,能自动开关,是利用了红外线传感器,因为人能辐射红外线。故B正确。
7.(多选)利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送情况。图甲为某工厂成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光。每当工件挡住A发出的光时,光传感器就输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图中乙所示。若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2 m,则下述说法正确的是( )
A.传送带运动的速度是0.1 m/s
B.传送带运动的速度是0.2 m/s
C.该传送带每小时输送3 600个工件
D.该传送带每小时输送7 200个工件
答案:BC
解析:有工件通过时,挡住A射向光传感器B的光,传感器输出一个高电压,故知两相邻工件通过的时间t=1 s,传送带的速度v= m/s=0.2 m/s。每小时传送工件3 600个。
8.(2020陕西西安一中检测) 嫦娥三号卫星上装有8种24件探测仪器,其中可能有( )
A.味觉传感器 B.气体传感器
C.听觉传感器 D.视觉传感器
答案:D
解析:嫦娥三号月球卫星是为探测月球而发射的在轨卫星,而月球上无气体,所以不需要气体传感器和听觉传感器,当然也用不到味觉传感器,真正需要的是为月球“画像”的视觉传感器——立体相机。本题主要考查传感器的应用,提高学生的理论分析能力和科学思维。
9.如图所示,将一光敏电阻接入多用电表两表笔之间,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θ。现用手掌挡住部分光线,表针自左向右的偏角为θ',则可判断 ( )
A.θ'=θ B.θ'<θ
C.θ'>θ D.不能确定
答案:B
解析:光敏电阻的阻值随光照的减弱而增大,所以用手掌挡住部分光线后光敏电阻的阻值变大,多用电表的指针偏转角度变小。
10.(2020江苏南通检测)有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机,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。手靠近自动干手机能使传感器工作,是因为改变了( )
A.湿度 B.温度 C.磁场 D.电容
答案:D
解析:根据自动干手机工作的特征,手靠近干手机时电热器工作,手撤离后电热器停止工作,人是一种导体,可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容器,可以确定干手机内设有电容式传感器,由于手的靠近改变了电容大小,故D正确;用湿度和温度来驱动电热器工作,理论上可行,但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作,它就成了室内烘干机。
二、能力提升
1.传感器可将非电学量转化为电学量或电路的通断,起自动控制作用,如计算机鼠标中有位移传感器,电饭煲中有温度传感器,电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器,右图是演示位移传感器的工作原理图,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的滑片滑动,通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小。假设电压表是理想的,则下列说法正确的是( )
A.物体M运动时,电源内的电流会发生变化
B.物体M运动时,电压表的示数会发生变化
C.物体M不动时,电路中没有电流
D.物体M不动时,电压表没有示数
答案:B
解析:由于电压表是理想的,因此滑片P移动时,不改变闭合电路的电阻,电源内的电流不发生变化,即电流恒定,A、C错误;物体M运动时,电压表所测电压是变化的,M不动时,电压表示数恒定,B正确,D错误。本题主要考查传感器在自动控制装置中的应用,提高学生的理论分析能力和科学思维。
2.某力敏元件的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学利用该力敏元件设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图甲所示,将力敏元件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,电流表示数的变化规律如图乙所示,下列判断正确的是( )
甲
乙
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
答案:D
解析:在t1~t2内,电流I变大,力敏元件阻值变小,压力变大,小车做变加速运动,A、B错误。在t2~t3内,电流I不变,压力恒定,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。
3.(多选)(2020江西南昌检测)如图所示,用光敏电阻LDR和灯泡制成一种简易水污染指示器,下列说法正确的是 ( )
A.严重污染时,LDR是高电阻
B.轻度污染时,LDR是高电阻
C.无论污染程度如何,LDR的电阻不变,阻值大小由材料本身因素决定
D.该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响
答案:AD
解析:严重污染时,透过污水照到LDR上的光线较少,LDR电阻较大,选项A正确,B错误;LDR由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,选项C错误;白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响LDR的电阻,选项D正确。
4.如图所示,RT为负温度系数的热敏电阻,R为定值电阻,若往RT上擦些酒精,在环境温度不变的情况下,关于电压表示数的变化情况,下列说法正确的是( )
A.变大 B.变小
C.先变大后变小再不变 D.先变小后变大再不变
答案:D
解析:往RT上擦酒精后,酒精蒸发吸热,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,根据串联电路的分压特点,电压表示数变小。当酒精蒸发完毕后,RT的温度逐渐升高到环境温度后不变,所以热敏电阻的阻值逐渐变小,最后不变。故电压表的示数将逐渐变大,最后不变。所以选项D正确。本题主要考查热敏电阻的应用,提高学生的理论分析能力和科学思维。
5.(多选)如图所示,RT为正温度系数热敏电阻,R1为光敏电阻,R2和R3均为定值电阻,电源电动势为E,内阻为r,V为理想电压表。现发现电压表示数增大,可能的原因是( )
A.热敏电阻温度升高,其他条件不变
B.热敏电阻温度降低,其他条件不变
C.光照增强,其他条件不变
D.光照减弱,其他条件不变
答案:BD
解析:因R3为定值电阻,电压表示数变大说明流经R3的电流增大,由电路结构可知,这可能是由于RT减小或R1增大,由热敏电阻和光敏电阻特性知,可能是由于温度降低或光照减弱,故B、D正确,A、C错误。
6.小强在用恒温箱进行实验时,发现恒温箱的温度持续升高,无法自动控制。经检查,恒温箱的控制器没有故障。参照示意图,下列对故障判断正确的是( )
A.只可能是热敏电阻出现故障
B.只可能是温度设定装置出现故障
C.热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障
D.可能是加热器出现故障
答案:C
解析:由题意,恒温箱内温度持续升高,说明加热器没损坏,不能选D。无法自动控制,而经检查控制器又没有故障,说明控制器没问题。热敏电阻或温度设定装置出现故障都能使温度持续升高,在没有确定条件下选C而不选A、B。
7.(多选)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、交通运输乃至家庭生活等多种领域。下图为三种电容式传感器。下列说法正确的是 ( )
甲
乙
丙
A.图甲是测定液面高度h的传感器,液面高度h发生变化时,两电极之间的距离发生变化,从而使电容发生变化
B.图乙是测定压力的传感器,压力发生变化时,两电极之间的距离发生变化,从而使电容发生变化
C.图丙是测定角度θ的传感器,角度θ发生变化时,两电极之间的正对面积发生变化,从而使电容发生变化
D.三个图中传感器都是通过改变两电极之间的正对面积来改变电容的
答案:BC
解析:题图甲中液面高度h发生变化时,两个电极间的正对面积发生了变化,从而使电容发生变化,所以选项A错误;题图乙中当待测压力作用在可动电极上且发生变化时,两电极之间的距离发生变化,从而使电容发生变化,所以选项B正确;题图丙中当角度θ发生变化时,两电极之间的正对面积发生变化,从而使电容发生变化,所以选项C正确;因为题图乙是通过改变两电极之间的距离来改变电容的,所以选项D错误。
8.(多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时( )
A.电压表的示数增大
B.R2中电流减小
C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大
答案:ABC
解析:当光强度增大时,R3阻值减小,外电路电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,而电压表的示数增大,A项正确,D项错误;由路端电压减小,而R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,则R2中电流减小,故B项正确;结合干路电流增大可知流过小灯泡的电流必增大,则小灯泡的功率增大,C项正确。本题主要考查光敏电阻的应用,提高学生的理论分析能力和科学思维。
9.(2020湖南浏阳检测)在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天,担负着信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用,其中热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号的元件。某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中,安装好如图所示装置。向杯内加入冷水,温度计的示数为20 ℃,多用电表选择适当的倍率,读出热敏电阻的阻值R1。然后向杯内加入热水,温度计的示数为60 ℃,发现多用电表的指针偏转角度较大,则下列说法正确的是 ( )
A.应选用电流挡,温度升高换用大量程测量
B.应选用电流挡,温度升高换用小量程测量
C.应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率大的挡
D.应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率小的挡
答案:D
解析:多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源,故不能用电流表,A、B错误;当温度升高时多用电表指针偏转角度较大,说明热敏电阻的阻值变小了,应该换用倍率小的挡,C错误,D正确。
10.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特殊性来工作的。如图甲所示,电源的电动势E=9 V,内阻不计;G为灵敏电流表,内阻保持不变;R为热敏电阻,其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示。闭合开关S,当R的温度等于20 ℃时,电流表示数I1=2 mA。当电流表的示数I2=3.6 mA时,热敏电阻的温度是( )
甲
乙
A.60 ℃ B.80 ℃
C.100 ℃ D.120 ℃
答案:D
解析:在20 ℃时,E=(RG+R1)I1,由题图乙可知R1=4 kΩ,则RG=500 Ω;当I2=3.6 mA时,E=(RG+R2)I2,即9 V=(500 Ω+R2)×3.6×10-3 A,所以R2=2 000 Ω。从题图乙中可以看出t=120 ℃,故选D。
