章末分层突破
[自我校对]
①电信号
②力信号
③声信号
④温度
⑤光信号
传感器工作原理、常见敏感元件及其应用
1.传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如框图所示．
????
2．常见敏感元件及特性
(1)光敏电阻：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大．
(2)金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度升高而增大．
(3)热敏电阻：热敏电阻有正温度系数、负温度系数两种．正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大；负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小．
(4)电容：平行板电容器的电容与极板正对面积、极板间距及电介质材料有关，电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息，并将其转化为电容变化，例如，当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化．
3．传感器的复杂应用
(1)搞清传感器的原理及应用过程是求解该类问题的关键．
(2)与电路的结合问题．涉及到电路的动态变化问题时要抓住题目的关键信息及敏感元件的特性，如光强度的变化、光敏电阻的变化、温度的变化、热敏电阻的变化，分析的顺序同直流电路动态问题分析一样，先从部分到整体，再到部分．涉及到电路的计算问题时，由于敏感元件变化的特性，所以找准对应时刻、位置等，把握图象的信息非常重要．
如图3-1为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I-U关系曲线图．
图3-1
(1)为了通过测量得到如图所示I-U关系的完整曲线，在图3-2甲和乙两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：_____________________________
____________________.(电源电动势为9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω)
图3-2
(2)在如图3-3所示电路中，电源电压恒为9 V，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω.由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为________Ω.
图3-3
【解析】 (1)应选择图甲，因为图甲电路电压可从0 V调到所需电压，电压调节范围大．
(2)由题图知R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9 V电源上，总电流I＝70 mA，R1＝250 Ω.
设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，
故I2＝I－I1＝(70－×103)mA＝34 mA.
由图象查得34 mA对应的电压为5.0 V，R2两端电压U2＝9 V－5.0 V＝4.0 V，
所以R2＝ Ω＝117.6 Ω.
【答案】 (1)甲 因为甲电路电压可从0 V调到所需电压，电压调节范围大 (2)5.0 117.6
常见的传感器及应用
1.力电传感器
力电传感器是利用敏感元件和变阻器把力学信号(位移、速度、加速度等)转换为电学信号(电压、电流等)的仪器．力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等．
2．热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理把热学信号转换成电学信号的仪器，如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等都是利用了热电传感器的原理．
3．光电传感器
光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管，光电传感器是根据光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理把光信号转换成电信号的仪器，如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理．
4．声电传感器
声电传感器主要利用电磁感应的原理把声音信号转换成电信号，如动圈式话筒、电容式话筒等．
5．电容式传感器
电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距离d及极板间的电介质这几个因素．如果某一物理量(如角度、位移、深度等)的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，起这种作用的电容器称为电容式传感器．
为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统．光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)．某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表：
照度(lx)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻(kΩ)
75
40
28
23
20
18
(1)根据表中数据，请在图3-4所给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点．
图3-4
(2)如图3-5所示，当1、2两端所加电压上升至2 V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路．给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图．
图3-5
(不考虑控制开关对所设计电路的影响)
提供的器材如下：
光敏电阻Rp(符号，阻值见上表)；
直流电源E(电动势3 V，内阻不计)；
定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限选其中之一并在图中标出)；
开关S及导线若干．
【解析】 (1)光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如图所示．
特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小．
(2)当控制开关自动启动照明系统，给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即选用R1，电路原理图如图所示．
【答案】 见解析
传感器应用问题的分析思路
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，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．
1．在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图3-6所示．M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻RM发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时( )
图3-6
A．RM变大，且R越大，U增大越明显
B．RM变大，且R越小，U增大越明显
C．RM变小，且R越大，U增大越明显
D．RM变小，且R越小，U增大越明显
【解析】 当RM变大时，回路的总电阻R总变大，根据I总＝，得干路中的电流变小，S两端的电压U＝I总RS变小，故选项A、B错误；当RM变小时，回路的总电阻R总＝＋RS变小，根据I总＝，得干路中的电流变大，S两端的电压U＝I总RS变大，而且R越大，RM变小时，对回路的总电阻变化的影响越明显，故选项C正确，选项D错误．
【答案】 C
2．(多选)某同学设计的家庭电路保护装置如图3-7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3-7
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
【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．
【答案】 ABD
3.热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中．图3-8为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图．由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力________(选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更______(选填“敏感”或“不敏感”)．
图3-8
【解析】 由R-t图象可知，热敏电阻在温度上升时电阻减小，则导电能力增强．相对金属热电阻，热敏电阻在相同的温度变化情况下电阻变化大，则热敏电阻对温度变化的响应更敏感．
【答案】 增强 敏感
4．硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件．某实验小组设计如图3-9甲电路，给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点，正极接低电势点)，探究其在无光照时的反向伏安特性．图中电压表V1量程选用3 V，内阻为6.0 kΩ；电压表V2量程选用15 V，内阻约为30 kΩ；R0为保护电阻；直流电源电动势E约为12 V，内阻不计．
(1)根据图甲，用笔画线代替导线，将图乙连接成完整电路．
图3-9
(2)用遮光罩罩住硅光电池，闭合开关S，调节变阻器R，读出电压表V1、V2的示数U1、U2.
①某次测量时，电压表V1示数如图丙，则U1＝________V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为________mA(保留两位小数)．
②该小组测出大量数据，筛选出下表所示的9组U1、U2数据，算出相应的硅光电池两端反向电压Ux和通过的反向电流Ix(表中“－”表示反向)，并在坐标纸上建立Ix-Ux坐标系，标出了与表中前5组Ux、Ix数据对应的5个坐标点．请你标出余下的4个坐标点，并绘出Ix-Ux图线.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
U1/V
0.00
0.00
0.06
0.12
0.24
0.42
0.72
1.14
1.74
U2/V
0.0
1.0
2.1
3.1
4.2
5.4
6.7
8.1
9.7
Ux/V
0.0
－1.0
－2.0
－3.0
－4.0
－5.0
－6.0
－7.0
－8.0
Ix/mA
0.00
0.00
－0.01
－0.02
－0.04
－0.07
－0.12
－0.19
－0.29
③由Ix-Ux图线可知，硅光电池无光照下加反向电压时，Ix与Ux成________(选填“线性”或“非线性”)关系.
【解析】 (1)实物图如图a所示
a
(2)①由题图知，电压表读数为1.40 V，通过硅光电池的反向电流也等于通过电压表V1的电流，故I＝＝ A≈0.23 mA.
②先在坐标纸上描点，然后用平滑的曲线将其连接起来，如图b所示．
b
③因图线为曲线，故Ix与Ux成非线性关系．
【答案】 (1)如图a所示 (2)①1.40 0.23
②如图b所示 ③非线性
第三章 传感器
(时间：90分钟 满分：100分)
一、单项选择题(本题共6小题，每小题4分，共24分)
1．下列说法不正确的是( )
A．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量
B．金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差
C．电熨斗中的双金属片是温度传感器
D．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
2．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( )
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
3．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了一个判断小车运动状态的装置，其工作原理如图2(a)所示，将压敏电阻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，电流表示数变化与时间t的关系如图(b)所示，下列判断正确的是( )
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
图1
图2 图3
4．如图3所示是某种汽车上的一种自动测定油箱内油面高度的装置．R是滑动变阻器，它的金属滑片是杠杆的一端，从油量表(由电流表改装而成)指针所指的刻度，就可以知道油箱内油面的高度，当滑动变阻器的金属片向下移动时( )
A．电路中的电流减小，油箱内油面降低
B．电路中的电流减小，油箱内油面升高
C．电路中的电流增大，油箱内油面降低
D．电路中的电流增大，油箱内油面升高
5．计算机键盘是由两片金属切片组成的小电容器，该电容器的电容可用公式C＝计算，式中εr＝9×10－12 F/m，S为金属片的正对面积，d表示两金属片的间距．当键被按下时，此电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出是哪个键被按下了，从而给出相应的信号．设每个金属片的正对面积为50 mm2，键未按下时两金属片的距离为0.6 mm.如果电容变化0.25 pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少需要被按下( )
A．0.15 mm B．0.25 mm C．0.35 mm D．0.45 mm
6. 酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测，它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器．这种酒精气体传感器的电阻的倒数与酒精气体的浓度成正比，在如图4所示的电路中，电压表示数U与酒精气体浓度c之间的对应关系正确的是( )
图4
A．U越大，表示c越大，c与U成正比
B．U越大，表示c越大，但是c与U不成正比
C．U越大，表示c越小，c与U成反比
D．U越大，表示c越小，但是c与U不成反比
二、双项选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分)
7．唱卡拉OK用的话筒，内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个很小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号，下列说法正确的是( )
A．该传感器是根据电流的磁效应工作的
B．该传感器是根据电磁感应原理工作的
C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D．膜片振动时，金属线圈会产生感应电流
8．用多用电表的同一档位测量热敏电阻和光敏电阻的阻值时，下列说法正确的是( )
A．测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越大
B．测热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越小
C．测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越大
D．测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越小
9．下列说法中正确的是( )
A．机械式鼠标器中的光传感器就是两个红外线接收管，它的作用就是把光信号(红外线脉冲)转换成电信号(电脉冲)
B．机械式鼠标器中的光传感器是由两个滚轴、两个码盘、两个红外线发射管(LED)和两个红外接收管组成的
C．火灾报警器中的光传感器是光电三极管，它的作用是把光信号转换成电信号
D．火灾报警器是利用烟雾对光的衍射作用来工作的
10．如图5所示的是一个电容式传感器，在金属线a的外面涂一层绝缘的电介质后放在导电液体中构成一个电容器，a与导电液体就是该电容器的两极．今使该电容器充电后与电源断开，并将a与静电计的导体球相连，插入导电液体中的电极b与静电计外壳相连，则当导电液体深度h变大时( )
图5
A．引起两极间正对面积变大 B．电容器的电容将变小
C．电容器两极间的电压将变小 D．以上说法都不正确
题 号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
答 案
三、填空题(本题共2小题，共16分)
11．(8分) 如图6所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往RT上擦一些酒精，表针将向________(填“左”或“右”)移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________(填“左”或“右”)移动．
图6
姓名：________ 班级：________ 学号：________ 得分：________ 12.(8分)图7为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱的原理简图．
图7
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8所示．当a、b端电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内的温度升高；当Uab>0时，电压鉴别器会使S断开，停止加热．则恒温箱内的温度恒定在________℃.
图8
四、解答题(本题共3小题，共36分)
13．(10分) 电热毯、电饭锅是人们常用的电热式家用电器，它们一般具有加热和保温功能，其工作原理大致相同．如图9所示为某种电热式电器的简化电路图，主要元件有电阻丝R1，R2和自动开关S.
图9
(1)当自动开关S闭合和断开时，用电器分别处于什么状态？
(2)用电器由照明电路供电(U＝220 V)，设加热时用电器的电功率为400 W，保温时用电器的电功率为40 W，则R1和R2分别为多大？
14.(12分) 一热敏电阻在温度为80℃时阻值很大，当温度达到100℃时阻值就很小，今用一电阻丝给水加热，并配以热敏电阻以保持水温在80℃到100℃之间，可将电阻丝与热敏电阻并联，一并放入水中，如图10所示，图中R1为热敏电阻，R2为电阻丝．请简述其工作原理．
图10
15．(14分)现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图11所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程．
图11
第三章 传感器 章末检测 答案
1．A [热敏电阻是把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，A错误；B、C、D正确；故选A.]
2．B [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状态，故A选项错误，B选项正确；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．]
3．D [从题图(b)可以看出，在t1到t2时间内，电流表示数逐渐增大，则压敏电阻的阻值逐渐减小，说明压敏电阻受到重球的压力越来越大，小车的加速度增大，故小车做变加速运动，A、B均错；在t2到t3时间内，电流不变，则说明重球对压敏电阻的压力不变，故小车做匀加速直线运动，C错，D对．]
4．D [油面升高，金属片向下移动，R接入电路中的电阻减小，电路中电流增大，所以选项D正确．]
5．A [由题给公式可知，键未按下时电容
C0＝＝ F＝0.75×10－12 F
恰能检测出信号时的电容
C′＝C0＋ΔC＝(0.75＋0.25) pF＝
故d′＝，Δd＝＝0.15 mm
所以A正确．]
6．B [题中给出传感器电阻r′的倒数与酒精气体浓度c是正比关系，即＝kc，
电压表示数U＝＝
＝，可以看出电压与浓度的关系不是正比关系，但随浓度的增大而增大．]
7．BD [当声波使膜片前后振动时，膜片后的金属线圈就跟着振动，使处于永磁体磁场中的线圈切割磁感线，穿过线圈的磁通量发生改变，产生感应电流，从而将声音信号转化为电信号，这是电磁感应的工作原理，所以B、D选项正确．]
8．AD [热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，而多用电表的零刻度在表盘的右侧，所以温度越高，多用电表指针偏角越大，选项A正确，选项B错误．光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小，所以光照越弱，阻值越大，故多用电表指针偏角越小，选项C错误，选项D正确．]
9．AC [机械式鼠标器中的光传感器就是两个红外线接收管，作用是把光信号(红外线脉冲)转换成电信号(电脉冲)，故选项A正确，选项B错误．火灾报警器中的光传感器是光电三极管，它是利用烟雾对光的散射作用来工作的，因此C正确、D错误．]
10．AC [当导电液体深度h变大时，相当于电容器的两极板的正对面积变大，由C＝知，电容C变大，而电容器充电后与电源断开，所以电容器所带电荷量Q不变，由U＝知，电容器两极间的电压将变小．]
11．左 右
解析 若往RT上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻RT温度升高，电阻值减小，指针向右偏．
12．35
解析 设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有R1＝R3，解得Rt＝20 kΩ
由Rt－t图可知，当Rt＝20 kΩ时，t＝35℃
13．(1)S闭合时，为加热状态 S断开时，为保温状态
(2)121 Ω 1 089 Ω
解析 (1)当S闭合时，R2短路，此时电路总电阻最小，由P＝知，功率最大，为加热状态；当S断开时，R1、R2串联，电路总电阻最大，功率最小，为保温状态．
(2)S闭合时，为加热状态，有P＝①；S断开时，为保温状态，有P′＝②，①②联立得R1＝121 Ω，R2＝1 089 Ω.
14．见解析
解析 开始水温较低时，R1阻值较大，电阻丝R2对水进行加热；
当水温达到100℃左右时，R1阻值变得很小，R2被短路，将停止加热；
当温度降低到80℃时，R1阻值又变得很大，R2又开始加热．这样就可达到保温的效果
15．电路图如下图所示
工作过程：闭合S，当温度低于设计值时热敏电阻，阻值大，通过电磁继电器的电流不能使它工作，K接通，电炉丝加热．当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，吸合铁片P，使触点K断开，电炉丝断电，停止供热．当温度低于设计值，又重复前述过程．
