第五章 传感器
2 常见传感器的工作原理及应用
基础过关练
题组一 光敏电阻
1.(经典题)将多用电表的选择开关置于电阻挡,欧姆调零后,将一光敏电阻连在多用电表两表笔之间,如图所示,用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ,现用手掌挡住部分光线,表针的偏角为θ',则可判断 ( )
A.θ'=θ B.θ'<θ
C.θ'>θ D.不能确定θ和θ'的关系
2.将光敏电阻R、数字电流表A、电源E按图连接,闭合开关S,当太阳光直接照射光敏电阻R时,电流表示数为I1;当用课本挡住直射到光敏电阻R上的太阳光时,电流表的示数为I2;当用黑纸把光敏电阻R完全包裹起来时,电流表的示数为I3。则I1、I2、I3的关系为 ( )
A.I1>I2>I3 B.I1=I2=I3
C.I13.如图所示是光电计数器的工作示意图,其中A是发光仪器,B是传送带上的物品,R1为光敏电阻,R2为定值电阻,电源电动势不变,此光电计数器的基本工作原理是:当有光照射R1时,信号处理系统获得 (选填“高电压”或“低电压”);信号处理系统每获得一次 (选填“高电压”或“低电压”)就计数一次。
题组二 金属热电阻和热敏电阻
4.如图所示,R1为定值电阻,R2是正温度系数的热敏电阻(即温度越高,电阻值越大),L为小灯泡,当温度下降时,下列说法错误的是 ( )
A.理想电流表的示数增大
B.R1两端的电压增大
C.电源效率增大
D.小灯泡变暗
5.某同学准备用一种金属丝制作一个电阻温度计。他先通过实验描绘出一段金属丝的U-I曲线,如图甲所示。再将该金属丝与某一定值电阻R0串联接在电路中,用电压表(电压表的内阻远大于金属丝的电阻)与金属丝并联,如图乙所示,并在电压表的表盘上标注了与电压对应的温度值,制成电阻温度计,下列说法中正确的是 ( )
A.从图甲可知,该金属丝的阻值随温度的升高而减小
B.图乙中电压表的指针偏转角越大,温度值越小
C.温度越高,定值电阻R0消耗的功率越大
D.选用不同阻值的R0可改变温度计的量程,R0越大,量程越大
题组三 电阻应变片 力传感器
6.(经典题)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是 ( )
A.应变片都是由半导体材料制成的
B.当应变片的表面拉伸时,其电阻变小;反之变大
C.传感器输出的是应变片上的电压
D.外力越大,输出的电压差值也越大
7.如图是测量汽车质量的地磅示意图,汽车的质量可通过电流表的示数读出,下列说法正确的是 ( )
A.电流表的示数越大说明被测汽车质量越大
B.电流表的示数越大说明被测汽车质量越小
C.把图中的电流表换成电压表同样能测量汽车的质量
D.地磅的量程只由弹簧的劲度系数决定,与电路中各元件的参数无关
题组四 电容式传感器
8.电容式传感器实质上是一个可变电容器,当某待测量发生变化时,能引起电容器的电容变化。如图是四个电容式传感器的示意图。下列通过改变电容器两极板正对面积实现信号传递的是 ( )
A.图(a)、图(b) B.图(b)、图(c)
C.图(c)、图(d) D.图(a)、图(d)
9.当今,人工智能迅猛发展,形形色色的传感器是人工智能的基础。如图所示为某同学设计的测量材料竖直方向尺度随温度变化的传感器装置示意图,平行板电容器上极板固定,下极板可随材料尺度的变化上下移动,两极板始终跟电源相连。若材料温度变化时,极板上所带电荷量增加,则 ( )
A.电容器电容变小
B.极板间电场强度不变
C.极板间电势差变小
D.材料竖直方向尺度增大
题组五 霍尔元件
10.霍尔元件可以用于制成 ( )
A.温度传感器 B.磁传感器
C.力传感器 D.声传感器
11.小明用实验来探究自行车测速码表用的霍尔元件中自由电荷的电性。如图所示,设NM方向为x轴正方向,沿EF方向(y轴正方向)通入恒定电流I,垂直薄片方向(平行于z轴)加向下的磁场B,测得沿 (选填“x”或“z”)轴方向会产生霍尔电压UH,如果自由电荷为负电荷,则 (选填“M”“N”“薄片上表面”或“薄片下表面”)一侧电势高。
能力提升练
题组 含敏感元件的电路分析
1.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小。某同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,如图所示,光滑小球夹在压敏电阻与挡板之间。小车在水平面上静止时,电流表示数为I0,小车运动状态变化会引起电流表示数变化。某次实验中,电流表示数变化如图所示,下列判断错误的是 ( )
A.在0~t1时间内可能做匀速运动
B.在t1~t2时间内做变速运动
C.在t2~t3内肯定静止
D.在t3~t4内压敏电阻所受压力减小
2.如图所示为某同学设计的磁报警装置的示意图。RB是磁敏电阻,其阻值随磁感应强度的增大而增大。R1和R2为两个电阻箱,a、b之间接报警器,当电压增大到某一值时,会触发报警器报警。下列说法正确的是 ( )
A.当RB处的磁场增强时,电流表示数增大
B.当RB处的磁场增强时,a、b间的电压减小
C.增大R2的阻值,更容易触发报警器报警
D.增大R1的阻值,更容易触发报警器报警
3.(经典题)如图所示为某汽车的加速度传感器的俯视图。金属块前、后侧分别连接轻质弹簧、电介质,弹簧与电容器固定在外框上,金属块可带动电介质相对于外框前后移动(不能沿其他方向移动),电容器与电源连接,并串联计算机的信号采集器。关于该传感器的说法正确的是 ( )
A.汽车保持静止时,电容器不带电
B.汽车静止时与直线运动时,电容器的电容可能相同
C.汽车由静止突然向前加速,电路中有逆时针方向的电流
D.汽车向前做匀加速运动过程中,电路中始终有顺时针方向的电流
4.(教材习题改编)如图甲是一种电感式微小位移传感器的原理图。1是待测位移的物体,3是空心线圈,软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中左右平移。这种传感器可以把被测物体位移的大小转换为线圈自感系数的大小。
(1)关于这种传感器的工作原理,下列说法正确的是 。
A.当物体1向右移动时,线圈的自感系数增大
B.当物体1向右移动时,线圈的自感系数减小
C.这种传感器输入的物理量是位移,输出的物理量是电学量
(2)某同学利用这种传感器设计了一个简易的台秤,原理如图乙所示,台秤上放置不同质量的砝码,记下电压表对应的各个示数,然后,把质量值标到电压表刻度盘的对应电压示数位置,就做成了简易的台秤。那么,为使传感器正常工作,电路中的电源应使用 (选填“交流”或“直流”)电源;称量质量的零刻度对应电压表的示数 (选填“最大值”或“最小值”)。
答案与分层梯度式解析
第五章 传感器
2 常见传感器的工作原理及应用
基础过关练
1.B 因为多用电表选择开关置于电阻挡,所以测量的是光敏电阻的阻值,光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,开始时有光照射,光敏电阻的阻值较小,当用手掌挡住部分光线时,光敏电阻的阻值增大,因为多用电表测电阻时的零刻度线在表盘的右侧,所以多用电表测电阻时,阻值越大,指针张角越小(易错点),所以选项B正确。
2.A 根据闭合电路欧姆定律有I=,由于光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,可知当太阳光直接照射光敏电阻R时,光照强度最强,则此时光敏电阻的阻值最小,通过的电流I1最大,当用黑纸把光敏电阻R完全包裹起来时,光照强度最弱,则此时光敏电阻的阻值最大,通过的电流I3最小,则I1>I2>I3,故选A。
3.答案 低电压 高电压
解析 当有光照射R1时,R1的电阻减小,则整个电路总电阻变小,电源电动势不变,则电流增大,根据U1=E-I(R2+r)可知,R1两端电压减小,即信号处理系统获得低电压;当光被物品遮挡即无光照射R1时,R1的电阻增大,则整个电路总电阻变大,电源电动势不变,则电流减小,根据U1=E-I(R2+r)可知,R1两端电压增大,即信号处理系统获得高电压,则信号处理系统每获得一次高电压就计数一次。
4.C 当温度下降时,R2减小,外电路的总电阻减小,总电流增大,路端电压减小,电流表测量总电流,则其示数增大,选项A正确;总电流增大,则R1两端的电压增大,而路端电压减小,所以灯泡两端的电压减小,灯泡变暗,选项B、D正确;电源效率η=×100%,所以电源效率减小,C错误。本题选错误的说法,故选C。
方法技巧 含有热敏电阻的电路的动态分析顺序
5.D 图甲中图线上的点与原点连线的斜率表示该点对应阻值的大小,故该金属丝的阻值随温度的升高而增大,故A错误;图乙中电压表的指针偏转角越大,说明RT的阻值越大,即温度越高,故B错误;R0阻值越大,电压表要偏转同样的角度,需RT的阻值更大(破题关键),即温度更高,则量程越大,故D正确;温度越高,RT的阻值越大,电路电流越小,根据P=I2R0可知定值电阻消耗的功率越小,故C错误。故选D。
6.D 常见的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片,故选项A错误;当应变片拉伸时,其电阻变大,反之变小,选项B错误;传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值越大,故选项C错误,选项D正确。
7.A 汽车质量越大,弹簧受到的压力就越大,P越向下,滑动变阻器连入电路的电阻就越小,电流表的示数就越大,选项A正确,B错误;如果把电流表换成电压表,因为电压表的内阻较大,所以滑动变阻器接入电路的阻值发生变化时,电压表的示数变化较小,故不能准确地测量汽车质量,选项C错误;因为地磅将力信号转换成了电信号,故地磅的量程还与电源电动势、电表量程等参数有关,选项D错误。
8.A 图(a)、图(b)通过改变电容器两极板正对面积实现信号传递;图(c)通过改变电容器两极板间的距离实现信号传递;图(d)通过改变电容器两极板间的电介质实现信号传递,故选A。
9.D 根据题意可知极板之间电压U不变,极板上所带电荷量Q增加,根据电容定义式C=可知电容器的电容C增大,故A错误;根据平行板电容器电容的决定式C=,由于电容C增大,可知极板间距d减小,即材料竖直方向尺度增大,再根据E=,由于电压U不变,可知极板间电场强度增大,故B错误,D正确;根据题意可知极板之间电压U不变,即极板间电势差不变,故C错误。故选D。
导师点睛 电容式传感器是一种多功能传感器,可以感知引起电容变化的任一外界信息,例如压力、转角、位移、压强、声音等,并将其转化为电容变化。分析原理时,关键要搞清是哪个非电学量造成了电容的变化,然后结合电容的决定式来分析。
10.B 霍尔元件可以使带电粒子(元件中的载流子)在磁场中偏转,把磁学量转化为电学量,制成磁传感器。故选B。
11.答案 x M
解析 由左手定则可知,带负电的自由电荷向N侧偏转(易错点),N侧带负电,N、M间(x轴方向)产生霍尔电压,M侧电势高。
方法技巧 霍尔元件电势高低的判断方法:利用左手定则,即磁感线垂直穿入手心,四指指向电流方向,拇指所指的方向为载流子的受力方向,若载流子是正电荷,则拇指所指的面为高电势面,若载流子是负电荷,则拇指所指的面为低电势面。
能力提升练
1.C 在0~t1内和在t2~t3内,I=I0,小球是平衡状态,有可能静止,也有可能做匀速直线运动,故A正确,C错误;在t1~t2内,I变大,说明压敏电阻阻值减小,压敏电阻受到的压力增大,小球受到的合力不为零,且增大,小车做变速运动,故B正确;在t3~t4内,I变小,说明压敏电阻阻值增大,压敏电阻受到的压力减小,故D正确。故选C。
2.C 当RB处的磁场增强时,RB阻值变大,则电路的总电阻增大,总电流I变小,a、b间的电压为Uab=E-I(r+R1),则a、b间的电压增大,B错误;电流表示数为IA=I-,由于总电流I变小,而变大,则电流表示数减小,A错误;因Uab越大越容易触发报警器报警,而增大R2的阻值,a、b间的电压变大,更容易触发报警器报警,故C正确;增大R1的阻值,a、b间的电压变小,要触发报警器报警会更难,D错误。故选C。
3.B 汽车保持静止时,由Q=CU知,电容器带电,A错误;汽车静止时与匀速直线运动时,弹簧都处于原长,电容器的电容相同,B正确;汽车由静止突然向前加速,弹簧会伸长,电介质相对于电容器极板向后运动,εr增大,由C=可知电容变大,电容器的电荷量要变大,电容器充电,电路中有顺时针方向的电流,C错误;汽车向前做匀加速运动过程中,加速度不变,弹簧的伸长量不变,电容器充电完成后,电路中不再有电流,D错误。故选B。
4.答案 (1)BC (2)交流 最大值
解析 (1)当物体1向右移动时,线圈的自感系数减小,A错误,B正确。这种传感器输入的物理量是位移,输出的物理量是电学量,C正确。故选B、C。
(2)软铁芯移动能改变线圈的自感系数,为使传感器正常工作,电路中的电源应使用交流电源。台秤上砝码的质量越大,软铁芯插入越深,自感系数越大,感抗越大,电流越小,电压表的示数越小(破题关键),所以,称量质量的零刻度对应电压表的示数最大值。
7(共12张PPT)
必备知识 清单破
2 常见传感器的工作原理及应用
知识点 1 光敏电阻
特点 光敏电阻在被光照射时电阻发生变化。光照增强时,电阻减小;光照减弱时,电阻增大
原理 制作光敏电阻的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,导电性能变好
作用 将光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
知识点 2 金属热电阻和热敏电阻
种类 金属热电阻 氧化锰热敏电阻
特点 电阻率随温度的升高而增大 电阻率随温度的升高而减小
制作 材料 金属导体 金属氧化物
优点 化学稳定性好,测温范围大 灵敏度好
作用 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 说明 在工作温度范围内,电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻;电阻值
随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。若无特殊说明,热敏电阻指的是负温度
系数热敏电阻。
1.作用:电阻应变片将物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
2.应变式力传感器
(1)组成:由金属梁和电阻应变片组成。
(2)敏感元件:应变片。
(3)工作原理:如图所示,弹簧钢制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各贴一个应变片,在
梁的自由端施力F,则梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面应变片的电阻变大,下表面
应变片的电阻变小。力F越大,弯曲形变越大,应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通
过的电流保持恒定,那么上表面应变片两端的电压变大,下表面应变片两端的电压变小。传
感器把这两个电压的差值输出。力F越大,输出的电压差值也就越大。由电压差值的大小,即
可得到外力F的大小。
知识点 3 电阻应变片
1.构造:在一个很小的矩形半导体薄片上,制作四个电极E、F、M、N,它就成了一个霍尔元
件。
2.工作原理:如图,E、F间通入恒定电流I,同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场,
则M、N间出现霍尔电压UH。分析可知,霍尔电压UH与磁感应强度B有线性关系,因此霍尔元
件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
知识点 4 霍尔元件
知识辨析
1.当温度升高时,热敏电阻的导电能力都明显增强吗
2.所有传感器都是由半导体材料制成的吗
3.电容式传感器只能将位移这个力学量转换为电容这个电学量吗
一语破的
1.不是。对于负温度系数的热敏电阻,温度升高,载流子增多,导电性明显地增强,电阻减小;而
正温度系数的热敏电阻,阻值随温度升高而增大。
2.不是。比如,金属热电阻用金属丝制作。
3.电容式传感器可以将位移、速度、压力、角度等力学量转换为电容这个电学量。
关键能力 定点破
定点 1 常见传感器的特点
器件类型 敏感元件 转换类型 相关问题
光电传感器 光敏电阻 光照强弱→电阻 直流电路动态分析问题
温度传感器 热敏电阻 温度→电阻 直流电路动态分析问题
金属热电阻 温度→电阻 力传感器 应变片 物体形变→电阻 力学、运动学与直流电路结合问题
电容式传感器 电容器 力、位移等→电容 力学、运动学与含容电路结合问题
磁传感器 霍尔元件等 磁感应强度→电压 带电粒子在复合场中的运动问题
定点 2 常见电容式传感器原理及分析
传感器 原理
测定角度θ的电容式传感器 动片与定片之间的角度θ发
生变化,会引起极板正对面积
S的变化,这就使电容C发生
了变化。知道C的变化情况,
就可以知道θ的变化情况
测定液面高度h的电容式传
感器 在导线芯的外面涂上一层绝
缘物质,放入导电液体中,导
线芯和导电液体构成电容器
的两个电极,导线芯外面的绝
缘物质就是电介质,液面高度
h发生变化时,引起正对面积
发生变化,电容C发生变化。
知道C的变化情况,就可以知
道h的变化情况
测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片
电极上的时候,膜片发生形
变,使极板间距离d发生变化,
从而引起电容C的变化。知
道C的变化情况,就可以知道
F的变化情况
测定位移x的电容式传感器 随着电介质进入极板间的长
度发生变化,电容C发生变
化。知道C的变化情况,就可
以知道x的变化情况
导师点睛 电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距离d、极板间的电介质这三
个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某个因素的变化,
从而引起电容的变化,那么通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化,有这种用途的电
容器称为电容式传感器。
