1 传感器
[目标定位] 1.知道什么是传感器及其工作原理.2.掌握制作传感器的常用元件的特性及其应用.
一、传感器
1.定义
把被测的非电信息，按一定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置.
2.结构
非电信息,
(1)敏感元件：能直接感受非电信息，如压力、光照、温度、磁场、气体等，并将这些信息变换成易于测量的物理量，形成电信号.
(2)处理电路：把微小电信号进行放大，并除去干扰信号，使敏感元件输出的电信号转变成便于显示、记录、处理和控制的电学量(如电压、电流和频率等)，这类电路称为处理电路.
3.传感器的原理
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，而它输出的大多是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，一般要经过放大等处理后，再通过控制系统产生各种控制动作.
4.在分析传感器时要明确
(1)核心元件是什么；
(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；
(3)是如何显示的或如何控制开关的.
深度思考
传感器在现代信息技术与自动控制中有什么作用？
答案 传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转化为电学量(如电压、电流等)，尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以传感器在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用.
例1 如图1所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，声音信号被话筒转换为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的( )
图1
A．距离变化 B．正对面积变化
C．介质变化 D．电压变化
解析 在声音信号转换为电信号过程中介电常数没变，正对面积未变．振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转换为电信号，故A选项正确．
答案 A
例2 传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用.有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图2中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成.
图2
压力传感器表面能承受的最大压强为1×107Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示.设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8V，取g＝10m/s2.请回答：
压力F/N
0
250
500
750
1000
1250
1500
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘________A处.
(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20mA，则这个人的体重是________kg.
解析 (1)由题图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R＝300Ω，此时A中电流I＝＝A＝1.6×10－2A.
(2)当电流I＝20mA＝20×10－3A时，压力传感器的电阻R＝＝Ω＝240Ω，对应表格中，这个人的体重为50kg.
答案 (1)1.6×10－2 (2)50
传感器问题的分析思路
不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都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.
二、敏感元件的原理
1.原理
利用物理学中能直接感受到的非电信息转换成易于测量的物理量，形成电信号.
2.敏感元件分类：
(1)物理类：基于力、热、光、电磁和声等物理效应.
(2)化学类：基于化学反应的原理.
(3)生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能.
3.半导体热敏电阻的热敏特性：
热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大，根据它具有电阻随温度灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量.
4.干簧管是一种能感知磁场的敏感元件.当磁力大于簧片的弹力时，两者紧密地接触；当磁力小于簧片的弹力时，两者分开.因此，干簧管串联在电路中就成为一个由磁场控制的开关.
例3 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3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( )
图3
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
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均错；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.
答案 D
例4 关于干簧管，下列说法中正确的是( )
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.干簧管接入电路中相当于开关的作用
D.干簧管能够感知磁场
解析 干簧管是感知磁场的元件，接入电路中相当于开关的作用，选C、D.
答案 CD
1.(对传感器的理解)关于传感器，下列说法正确的是( )
A.金属材料不可以制成传感器
B.话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号
C.传感器都是通过感知电压的变化来传递信号的
D.所有传感器的材料都是由半导体材料做成的
答案 B
解析 金属材料也可以制成传感器，所以A错误；动圈式话筒是通电导体在磁场中受力，变化的电流通过线圈，产生变化的磁场，其作用是将声信号转换为电信号，所以B正确；传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，所以C错误；传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料，所以D错误.故选B.
2.(热敏电阻的应用)如图4所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化是变暗，发生这一现象的主要原因是( )
图4
A.小灯泡的电阻发生了变化
B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D.电源的电压随温度发生了变化
答案 C
解析 电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，电路中电流减小，根据P＝I2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗.
3.(热敏电阻的应用)(多选)图5是测试热敏电阻R的实验电路图，滑动变阻器已调节到某一适当的值.实验中观察到当温度升高时灯更亮.对实验现象分析正确的有( )
图5
A.温度升高，电路中的电流减小
B.温度升高，电路中的电流增大
C.温度升高，热敏电阻的阻值增大
D.温度升高，热敏电阻的阻值减小
答案 BD
解析 当温度升高时，电路中的热敏电阻的阻值减小，由闭合电路欧姆定律可知：电路中的电流增大，导致灯泡变亮.
4.(对传感器的理解)如图6所示是变隙电感式压力传感器的结构图.它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起.根据变隙电感式压力传感器的结构图分析其工作原理.
图6
答案 见解析
解析 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力F的作用下产生与压力F大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使铁芯和衔铁之间的距离发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值反映了被测压力的大小.
题组一 传感器的概念
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.干簧管是一种磁传感器
C.传感器不是电视遥控器的主要元件
D.传感器是力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具
答案 ABD
解析 传感器相当于人的器官，给机器提供一些信息，A正确；根据定义知B、D正确；遥控器的主要元件是传感器，C错误.
题组二 传感器对信号的转化
2.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 遥控器是利用红外线传输信号的，故A项正确.
3.传感器是把非电学量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件.如图1所示为一种电容式传感器，电路可将声音信号转化为电信号.电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜.若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中( )
图1
A.a、b板之间的电场强度不变
B.a、b板所带的电荷量不变
C.电路中始终有方向不变的电流
D.向右位移最大时，电容器的电容最大
答案 D
解析 a、b始终跟电源相连，电势差U不变，由于a、b间距离变化，由E＝知场强变化，A错误；由C＝知d变化时C变化，a向右位移最大时，电容最大，D正确；由Q＝CU知a、b所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B、C错误.
4．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( )
A．改变湿度 B．改变温度
C．改变磁场 D．改变电容
答案 D
解析 根据自动干手机工作的特征，手靠近自动干手机，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、湿度的变化而工作就成了室内烘干机．
5．如图2是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(填“增大”或“减小”)
图2
答案 c、d 减小
解析 把电压表接到c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R′两端的电压增大，电压表示数增大，同理，油量减少时，电压表示数减小．
题组三 敏感元件的原理
6.如图3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( )
图3
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 当温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表示数减小，R1两端电压减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，故C正确，其余各项均错.
7.(多选)如图4所示是家用电冰箱的压缩启动装置的电路图.其中的运行绕组是电冰箱在工作时电动机的定子，由于交流是单相的，启动时必须依靠启动绕组的帮助才能产生旋转磁场，在启动绕组的支路中串联有一个PTC元件，这是一种以酞酸钡为主要材料的热敏电阻器，电流流过PTC元件，元件发热，它的电阻率随温度升高而发生显著变化，当电动机正常转动以后，PTC元件温度较高，电阻很大，启动绕组电流很小.以下判断正确的是( )
图4
A.电冰箱的电动机启动时比正常工作时耗电少
B.电冰箱的电动机正常工作时比启动时耗电少
C.电冰箱启动后，启动绕组功率不变，运行绕组功率是变化的
D.电冰箱启动后，启动绕组功率是变化的，运行绕组功率不变
答案 BD
解析 启动时，由于PTC元件温度低，电阻小，故耗电多，B正确；启动后，随PTC元件温度升高，PTC元件电阻增大，通过启动绕组的电流减小，故启动绕组功率是变化的，而运行绕组电压不变，故功率不变，则D正确.
8.(多选)如图5所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器.当环境温度降低时( )
图5
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
答案 AB
解析 当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两极板间的电压U2＝U－U1，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误.
9.如图6所示连接电路.把磁铁靠近或远离干簧管，观察电路中所发生的现象.你认为干簧管起了什么作用？
图6
答案 把磁铁靠近干簧管时，簧片在磁场的作用下会磁化为异名磁极相对的磁铁.当磁力大于簧片的弹力时，两者紧密地接触，电路连通，灯亮.因此，干簧管串联在电路中就成为一个由磁场控制的开关.
2 温度传感器和光传感器
[目标定位] 1.了解各种温度传感器的工作原理、特点和应用.2.了解各种光传感器的工作原理、特点和应用.
一、温度传感器
1.作用：将温度的变化转换为电学量的变化.
2.常见的温度传感器
(1)热双金属片温度传感器
①原理：两种膨胀系数相差较大的不同金属片制成一体，温度升高时，双金属片变形，可控制电路的通断.
②应用：日光灯启动器，电机、电冰箱保护等.
(2)热电阻传感器
①原理：用金属丝制作的感温电阻叫热电阻，当外界温度t发生变化时，其电阻值按R＝R0(1＋θt)的规律变化(θ为温度系数，R0为t＝0℃时导体的电阻).
②应用：测温度、测流量等.
(3)热敏电阻传感器
①原理：半导体热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，其热敏特性在上节已有探究.
②应用：测量、温度控制或过热保护等.
③分类：正温度系数的热敏电阻(PTC)，它的电阻随温度升高而增大.
负温度系数的热敏电阻(NTC)，它的电阻随温度的升高而减小.
深度思考
热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而减小？
答案 不是.正温度系数热敏电阻(PTC)在温度升高时电阻值增大，负温度系数热敏电阻(NTC)在温度升高时电阻值减小.
例1 传感器在日常生活中的应用越来越广泛，温度传感器(实质是自动开关)是其中的一种．某一食品消毒柜就是利用温度传感器来自动控制电路的．常温下，该温度传感器是闭合的；当温度达到某一设定值时，传感器自动断开，从而切断整个电路．下列关于该消毒柜的几种电路图中(图中S为电源开关)，连接正确的是( )
解析 A电路中，当温度升高到某一设定值时，电路会断开；B、C、D电路中，温度升高到某一设定值时，传感器会断开，但整个电路不会断开．电源开关S闭合后，消毒柜开始工作，当温度达到某一设定值时，传感器自动断开，整个电路也断开，所以A选项正确．
答案 A
二、光传感器
1.光电传感器是指将光信号转换为电信号的一类传感器，一般以光敏电阻为主要元件，因为光敏电阻电阻值随光照增强而减小，将光敏电阻连接到电路中时，光照改变就会引起电路中其他电学量的改变，从而将光信号转换为电信号.
2.应用：光电式烟尘浓度计、光电式转速表.
例2 如图1所示为光电式烟尘浓度计的原理图，试说明其工作原理.
图1
解析 光源1发出的光线经半透半反镜3，分成两束强度相等的光线.一路光线直接到达光电转换电路7上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号.另一路光线经反射镜4穿过被测烟尘5到达光电转换电路6上，其中一部分光线被烟尘吸收或散射而衰减，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光电转换电路6的光就越弱.两路光线分别转换成电压信号U1、U2，如果U1＝U2，说明被测的光路上没有烟尘，相反，如果U1、U2相差较大，说明烟尘较大，因此可用两者之比，算出被测烟尘的浓度.
答案 见解析
例3 如图2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( )
图2
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
解析 当照射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，A项正确，D项错误；由路端电压减小，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，故C项正确.
答案 ABC
解决含有热敏电阻、光敏电阻的直流电路动态分析问题：
(1)明确热敏电阻、光敏电阻的电阻特性；
(2)解题思路：R局→R总→I总→U端?
1.(温度传感器的应用)(多选)如图3所示为电阻R随温度t变化的图线，下列说法中正确的是( )
图3
A.图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
B.图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
C.图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D.图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
答案 BD
2.(温度传感器的应用)图4是一火警报警器的部分电路示意图.其中R2为用负温度系数热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器.当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
图4
A.I变大，U变大 B.I变大，U变小
C.I变小，U变大 D.I变小，U变小
答案 D
解析 R2处出现火情，温度升高，R2减小，导致R2两端电压减小，通过R3的电流减小，路端电压U减小.
3.(光传感器的应用)街旁的路灯、江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，它们是利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的( )
A.压敏性 B.光敏性
C.热敏性 D.三种特性都利用
答案 B
解析 街旁的路灯和江海里的航标，都是利用了半导体的光敏性，夜晚电阻大，白天电阻小，控制了电路的通断.
4.(光传感器的应用)如图5所示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( )
图5
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.发生火灾时，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.发生火灾时，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，部分光线照在三极管上使其电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，故C对.
题组一 温度传感器
1．(多选)关于电饭锅的说法正确的是( )
A．电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁
B．铁氧体在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性
C．用电饭锅烧水，水开时能自动断电
D．用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位
答案 BD
解析 电饭锅中的温度传感器其主要元件是铁氧体，故A错，B选项正确；因水开时温度约为100℃，达不到居里温度，故不能自动断电，则选项C错；温控开关只能手动闭合，故D正确．
2.在防治“非典”期间，在机场、车站等交通出入口，使用了红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效控制疫情的传播.关于红外线热像仪，下列说法正确的是( )
A.选择红外线进行检测，主要是因为红外线具有荧光效应
B.红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测的
C.红外线热像仪同时还具有杀菌作用
D.一切物体都能发射红外线，而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同
答案 D
解析 红外线热像仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的，故D正确.
3.(多选)在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图1所示，由于这种特性，使PTC元件具有发热、保温双重功能.以下判断正确的是( )
图1
A.通电后，其电功率先增大后减小
B.通电后，其电功率先减小后增大
C.当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变
D.当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变
答案 AD
解析 当电热灭蚊器温度由0升到t1的过程中，电阻器的电阻率ρ随温度的升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在电热灭蚊器上的电压U保持不变，电热灭蚊器的电功率P随之增大，当t＝t1时，P＝P1达到最大.当温度由t1升高到t2的过程中，ρ增大，R增大，P减小；而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率P′也就越大；因此在这之间的某一温度t3会有P＝P3＝P′，即电功率P减小到等于散热功率时，即达到保温；当t
P′，使温度自动升高到t3；当t>t3，P4.小强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.参照图2，下列对故障判断正确的是( )
图2
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 由恒温箱原理可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A、B错误.若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误.
题组二 光传感器的应用
5.(多选)如图3所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是( )
图3
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，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻值，D对.
6.如图4所示，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，将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( )
图4
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强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，表针的偏转角度变小.
7.如图5所示，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，闭合开关S后，下列说法中正确的是( )
图5
A.当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B.当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C.当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变
答案 A
解析 当滑动触头P向左移动时，使其电阻减小，则流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R的阻值减小，通过灯泡L的电流增大，则L消耗的功率增大，A正确，B、D错误；当滑动触头P向右移动时，可分析出L消耗的功率变小，C错误.
8.(多选)如图6所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是( )
图6
A.当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
答案 AC
解析 光电计数器工作原理：当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压降低，信号处理系统得到低电压，计数器每由高电压转到低电压，就计一个数，从而达到自动计数的目的.
9.如图7所示，R3是光敏电阻(光照时电阻变小)，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势.当用光照射电阻R3时，则( )
图7
A.a点电势高于b点电势
B.a点电势低于b点电势
C.a点电势等于b点电势
D.a点电势和b点电势的大小无法比较
答案 A
解析 R3是光敏电阻，当有光照射时电阻变小，R3两端电压减小，故a点电势升高，因其他电阻的阻值不变，所以a点电势高于b点电势.
10．光电式感烟探测器(简称烟感器)由光源、光电元件和电子开关组成．利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号．该报警器利用的传感器是( )
图8
A．力传感器 B．声传感器
C．位移传感器 D．光传感器
答案 D
3 生活中的传感器
4 简单的光控和温控电路（选学）
[目标定位] 1.了解各种传感器在日常生活和生产中的应用.2.会分析简单的光控和温控电路.
一、生活中的传感器
1.洗衣机中的传感器
全自动洗衣机已实现了利用传感器和电脑技术对洗涤全过程进行检测和控制.近年流行的模糊洗衣机中的传感器大致有：水位传感器、负载量传感器、水温传感器、布质传感器、洗涤粉传感器、脏污程度传感器、脱水(压电)传感器.
2.电冰箱中的传感器
电冰箱主要由制冷系统和控制系统两大部分组成.控制系统主要包括：温度自动控制、除霜温度控制、过热及过电流保护等.
3.家用报警器
(1)居家生活中，煤气泄漏，会危及人身安全，需要加以防范.我们可以利用气敏元件制作有害气体报警器和可燃气体报警器.
(2)有一种敲击防盗报警器，它利用压电式传感器对门窗玻璃损毁产生反应，形成对报警装置的启动.还有一种冲击防盗报警器，由冲击传感器和执行电路两部分组成.
4.传感器与人的感官
(1)光传感器和由它制成的录像头、监控探头，可以类比人的眼睛.
(2)对有毒有害气体进行监控的化学和生物传感器，相当于人的鼻和舌等嗅觉、味觉器官.
(3)力学和振动传感器，以及温度传感器可以认为相当于人类的触觉器官，如手、足、皮肤等.
(4)声传感器不妨认为是机器的耳朵.
例1 如图1所示为某种电冰箱内温度控制器的结构.铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸气，构成了一个温度传感器.膜盒3为扁圆形(图中显示它的切面)，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接.盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀.测温泡1安装在冰箱的冷藏室中.5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作.弹簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上.连杆
9的下端是装在机箱上的轴.凸轮8是由设定温度的旋钮(图中未画出)控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力.
图1
(1)为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够自动开始工作，而在达到设定的低温后又自动停止工作？
(2)为什么用凸轮可以改变设定的温度？
解析 (1)冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盒体膨胀，膜盒 3通过小柱体带动弹簧片4，使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而在达到设定的温度时弹簧带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作.
(2)凸轮逆时针转动会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与弹性金属膜盒3共同控制弹簧片4的运动，而弹簧7上弹力的变化会改变设定的温度.
答案 见解析
例2 如图2所示为冲击防盗报警器的冲击传感器的结构示意图.在外壳的绝缘基板上固定一个螺栓，螺栓上有一个弹簧，弹簧的顶端焊有一个钢球，它们都是电的良导体，外壳也使用电的良导体制成.请简述这种装置防盗的原理.
图2
答案 在静止状态下，不论传感器置于何种状态，钢球和外壳呈断开状态不会导通，一旦传感器受到外力冲击，如砸、碰、撞、敲击、撬动时，则钢球受到扰动产生运动与外壳接通，便可触发执行电路，使报警装置开始工作.
二、简单的光控和温控电路
1.光控自动照明电路
利用光敏电阻作控制元件，从而通过光线来实现自动控制，使电路在天亮时自动切断，天黑时自动导通.
2.温控电熨斗
利用热敏电阻作控制元件，从而使电熨斗的温度在低于指定值时，电热器供电加热，否则将电源关闭.
例3 如图3所示是一种烟雾报警器的控制电路图，其原理简化如下：调节可变电阻R1使U23＝0.当有烟雾时，开始触发工作，其中Rg是光敏电阻.由此可知，要使开始工作，则应满足( )
图3
A.φ2>φ3 B.φ2<φ3
C.φ2＝φ3 D.无法判断
解析 规定电源负极的电势为零，则φ3＝保持不变.而φ2＝＝，当有烟雾时，光敏电阻Rg增大，φ2增大.所以当φ2>φ3时，控制电路开始工作.
答案 A
三、自动控制电路的分析与设计
例4 如图4所示为某小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈.P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱.电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，其工作方式是( )
图4
A.A与B接信号电压，C与D跟被控电路串联
B.A与B接信号电压，C与D跟被控电路并联
C.C与D接信号电压，A与B跟被控电路串联
D.C与D接信号电压，A与B跟被控电路并联
解析 A、B接电磁继电器的线圈，所以A、B应接信号电压，线圈电流随信号电压变化使电磁继电器吸引或释放P，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用.故正确答案为A.
答案 A
设计自动控制电路时，一般按照以下的思路进行：
(1(根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路
控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件(、电磁继电器和导线等组成；工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器(、导线等组成.这两个电路相互独立，又通过电磁继电器相关联，电磁继电器实际上是工作电路的开关.
(2(分析自控电路的合理性
电路设计完成后，要对它的合理性进行分析，用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热，检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求.例如，自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路，使路灯熄灭，晚上接通工作电路，使路灯发光.
1.(生活中的传感器的应用)(多选)如图5所示是自动调温式电熨斗，下列说法正确的是( )
图5
A.常温时上下触点是接触的
B.双金属片温度升高时，上层金属片形变较大，双金属片将向下弯曲
C.原来温度控制在80 ℃断开电源，现要求60 ℃断开电源，应使调温旋钮下移一些
D.由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态，应使调温旋钮下移一些
答案 ABD
解析 常温工作时，上下触点是接通的，当温度升高时，上层金属片形变大，向下弯曲，切断电源.断电温度要升高则应使调温旋钮下移一些，A、B、D对，C错.
2.(自动控制电路的分析与设计)如图6所示是自动水位报警的示意图，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”).
图6
答案 B A
解析 水位正常时，线圈中没有电流，衔铁1与触头3接触，这时应绿灯亮，所以绿灯泡应安在A位置，当高出一定水位时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触，这时应红灯亮，所以红灯泡应安在B位置.
3.(生活中的传感器的应用)如图7所示是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103 ℃)时，会自动断开.S2是一个自动温控开关，当温度低于70 ℃时，会自动闭合；温度高于80 ℃时，会自动断开.红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯.分流电阻R1＝R2＝500 Ω，加热电阻丝R3＝50 Ω，两灯的电阻不计.
图7
(1)分析电饭煲的工作原理；
(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；
(3)简要回答，如果不闭合开关S1能将饭煮熟吗？
答案 见解析
解析 (1)接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态.加热到80 ℃时，S2自动断开，S1仍闭合；饭煮熟后，温度升高到103 ℃时，S1自动断开，黄灯亮，电饭煲处于保温状态，由于散热，待温度降至70 ℃时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80 ℃时，S2又自动断开，再次处于保温状态，如此循环.
(2)加热时电饭煲消耗的电功率P1＝，保温时电饭煲消耗的电功率P2＝，两式中R并＝＝ Ω＝ Ω，故＝＝＝.
(3)如果不闭合S1，开始时S2是闭合的，R1被短路，功率为P1；当温度上升到80 ℃时，S2自动断开，功率降为P2；温度降低到70 ℃，S2自动闭合……温度只能在70～80 ℃之间变化，不能将饭煮熟.
4.(自动控制电路的分析与设计)按如图8所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是_______________________；
用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡________，原因是___________________；
停止吹风，会发现____________________________________________________________；
把热敏电阻放入冷水中会发现__________________________________________________.
图8
答案 由于热敏电阻阻值较大，左侧电路电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁 亮 电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁 小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高 小灯泡熄灭
题组一 生活中的传感器
1.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图1甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是( )
图1
A.0～t1时间内，升降机一定匀速运动
B.0～t1时间内，升降机可能减速上升
C.t1～t2时间内，升降机可能匀速上升
D.t1～t2时间内，升降机可能匀加速上升
答案 B
解析 在0～t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动，故A项错误，B项正确；t1～t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，故不可能做匀速运动或匀加速运动，C、D两项都错.
2．(多选)为锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图2所示是原理图．轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起(弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计)，弹簧劲度系数为100 N/cm.定值电阻R0＝5 Ω，ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝，阻值R1＝25 Ω，电源输出电压恒为U＝3 V，理想电流表的量程为0～0.6 A．当拉环不受力时，滑片P处于a端．下列关于这个电路的说法正确的是(不计电源内阻)( )
图2
A．小明在电路中连入R0的目的是保护电路
B．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0.1 A
C．当拉力为400 N时，电流表指针指在0.3 A处
D．当拉力为400 N时，电流表指针指在0.5 A处
答案 ABC
解析 若电路无电阻R0，且金属滑片P在b端时，回路短路损坏电源，R0的存在使电路不出现短路，因此A正确；当拉环不受力时，滑片P在a端，由欧姆定律得，I＝＝0.1 A，故B正确；拉力为400 N时，由F＝kΔx，则Δx＝4 cm，对应的电阻为RaP＝20 Ω，R1接入电路的电阻RPb＝5 Ω，由闭合电路欧姆定律得，I＝＝0.3 A，故D错，C正确．
3.氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化.在图3所示电路中，不同的一氧化碳浓度对应传感器不同的电阻值，电压表的示数与一氧化碳的浓度一一对应，观察电压表示数就能判断一氧化碳浓度是否超标.已知氧化锡传感器的电阻的倒数与一氧化碳浓度成正比，那么，电压表示数U与一氧化碳浓度ρ之间的对应关系正确的是( )
图3
A.U越大，表示ρ越大，ρ与U成正比
B.U越大，表示ρ越小，ρ与U成反比
C.U越大，表示ρ越大，但ρ与U无关
D.U越大，表示ρ越小，但ρ与U无关
答案 C
解析 设传感器的电阻为R1，电源的电动势为E，内阻为r，由题意得＝kρ，k是比例系数.又根据闭合电路欧姆定律得，电压表示数U＝E＝E.由数学知识分析可知，U越大，ρ越大，但ρ与U无关.故选C.
题组二 自动控制电路的分析与设计
4. (多选)如图4所示，全自动洗衣机中的排水阀是由程序控制器控制其动作的，当进行排水和脱水工序时，控制铁芯1的线圈通电，使铁芯2运动，从而牵引排水阀的阀门排除污水.以下说法中正确的是( )
图4
A.若输入的控制电流由a流入，由b流出，则铁芯2中A端为N极，B端为S极
B.若输入的控制电流由a流入，由b流出，则铁芯2中A端为S极，B端为N极
C.若a、b处输入交变电流，铁芯2不能被吸入线圈中
D.若a、b处输入交变电流，铁芯2仍能被吸入线圈中
答案 AD
解析 铁芯被通电螺线管磁化.
5．如图5所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图．门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照射，电阻减小；门关闭会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)．经实际试验，灯的亮灭能反映门的开、关状态．门打开时两灯的发光情况以及R2两端电压UR2与门关闭时相比( )
图5
A．红灯亮，UR2变大 B．绿灯亮，UR2变大
C．绿灯亮，UR2变小 D．红灯亮，UR2变小
答案 D
解析 门打开R3减小，导致R总减小和I总增加，Ur和UR1变大，UR2＝E－(UR1＋Ur)减小，IR3＝I总－增加，电磁继电器磁性增强把衔铁拉下，红灯亮，绿灯灭，A、B、C均错误，D正确．
6.(多选)某同学设计的家庭电路保护装置如图6所示，铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成.当右侧线圈L2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路.仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有( )
图6
A.家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零
B.家庭电路中使用的用电器增多时，L2中的磁通量不变
C.家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起
D.地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起
答案 ABD
解析 由于零线、火线中电流方向相反，产生的磁场方向相反，所以家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零，选项A正确；家庭电路短路和用电器增多时均不会引起L2的磁通量的变化，选项B正确，C错误；地面上的人接触火线发生触电时，线圈L1中磁场变化引起L2中磁通量的变化，产生感应电流，吸起K，切断家庭电路，选项D正确.
7.如图7所示为一自动控制温度的电梯，请说明其工作原理.
图7
答案 见解析
解析 当开关P在弹簧拉力作用下拉到上面与a接触时，电热丝工作；随着温度升高，热敏电阻温度升高，阻值减小，通过电磁铁的电流增大，电磁铁磁性增强到一定程度时把P吸到与b接触，电热丝停止工作，指示灯亮.
8.如图8是一种防汛报警器的原理图，S是触点开关，B是一个漏斗形的竹片圆筒，里面有浮子A，请你说明这种报警器的工作原理.
图8
答案 见解析
解析 由题图可以看出，水面上升时，浮子A在漏斗形的竹片圆筒内上浮，顶起金属板.当水面上升达到警戒水位时，使触点开关S闭合，电磁铁电路连通，电磁铁通电有磁性，吸下衔铁使报警电路的触点开关闭合，灯亮发出防汛警报.
