[体系构建]
[核心速填]
1．传感器及其工作原理
(1)定义：将非电学量转化为电学量或控制电路的通断的元件．
(2)敏感元件
①热敏电阻和金属热电阻——温度传感器．
②光敏电阻——光传感器．
③应变片——力传感器．
④双金属片——温度传感器．
2．传感器的应用
(1)工作模式：传感器——放大转换电路→
(2)应用
(3)利用斯密特触发器将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号．
常见敏感元件及其特性
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．
【例1】 如图所示，有的计算机键盘的每一个键下面都连一小块金属片，与该金属片隔有一定空隙还有另一块小的固定金属片，这两块金属片组成一个小电容器，该电容器的电容C可用公式C＝e计算，式中常量e＝9×10－12 F·m－1，S表示金属片的正对面积，d表示两金属片间的距离．当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号．设每个金属片的正对面积为50 mm2，键未被按下时两金属片间的距离为0.6 mm.如果电容变化了0.25 pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少要被按下________mm.
解析：计算机键盘是一个电容传感器，由题意知它是靠改变两极板间距从而改变电容，得到相应的电信号．又因两极板间距减小，电容变大，设原间距为d0，按下键后间距为d时电子线路恰能检测出必要的信号，则根据C＝e，ΔC＝eS得d＝
＝ m
＝0.45×10－3 m＝0.45 mm，
所以键至少要被按下的距离为0.6 mm－0.45 mm＝0.15 mm.
答案：0.15
1.如图所示是某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻，R2为定值电阻，A、B接监控装置．则 ( )
①当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压增大 ②当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压减小 ③当仅增大R2的阻值时，A、B之间的电压增大 ④当仅减小R2的阻值时，A、B之间的电压增大
A．①③ B．①④
C．②③ D．②④
C [R1是光敏电阻，有光照射时，阻值变小，当有人通过而遮蔽光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故①错误，②正确；由闭合电路欧姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故③正确；当仅减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故④错误．故应选C.]
传感器的应用
1.传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用
(1)“感”是指传感器的敏感元件感应信息，并转化为电学量．
(2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取并转化的电学信息传给执行机构．
(3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作．
2．处理与传感器有关的电路设计问题时，可将整个电路分解为
(1)传感器所在的信息采集部分；
(2)转化传输部分(这部分电路往往与直流电路的动态分析有关)；
(3)执行电路．
【例2】 如图所示是一种水位自动报警器的原理示意图，当杯中的水的水位到达金属块B时，出现的情况是( )
A．L1灯亮 B．L2灯亮
C．L1、L2两灯同时亮 D．L1、L2两灯都不亮
B [由电路结构可以看出，当杯中的水的水位到达B时，左侧电路被接通，这样螺线管就产生磁场，相当于一个磁铁，对与弹簧相连的衔铁产生吸引作用，使之向下移动，这样L2电路被接通，故B正确．]
2．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，在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察仪表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标，有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的是电导(即电阻的倒数)——浓度曲线如图乙，电压表示数U0与一氧化碳浓度c之间的对应关系正确的是( )
甲 乙
B [当一氧化碳浓度增大时，传感器的电导增大，电阻R传减小，由闭合电路欧姆定律知，电路中的电流I＝E/(R0＋R＋R传＋r)增大，电压表的示数U0＝IR0＝增大，故C、D错误；由题图知，传感器的电导与浓度成正比，传感器的电阻R传与浓度成反比，但电压表的示数U0与传感器的电阻R传并不成正比关系，所以，电压表示数U0与一氧化碳浓度c之间的关系图线并不是直线，A错，答案为B.]
课件23张PPT。第三章 传感器章末复习课234温度传感器电学量通断温度传感器光传感器力传感器5放大转换 67常见敏感元件及其特性8910111213141516传感器的应用171819202122Thank you for watching !章末综合测评(三)
(时间：90分钟 分值：100分)
一、选择题(本题共10小题，每小题6分，共60分．在每小题给出的四个选项中，第1～6题只有一项符合题目要求，第7～10题有多项符合题目要求．全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分)
1．下面说法中不正确的是( )
A．传感器一般不能直接带动执行机构实现控制动作
B．力传感器的敏感元件是应变片
C．应变片能把物体形变转变为电压
D．双金属片两层金属的膨胀系数完全相同
D [传感器输出信号比较微弱，一般不能直接带动执行机构实现控制动作，A正确；力传感器中的应变片在力的作用下发生形变，输出相应的电压信号，B、C正确；双金属片两层金属膨胀系数不同，在温度升高时才会发生弯曲，D错误．]
2．金属铂的电阻值对温度高低非常敏感，下列选项中可能表示金属铂电阻的U-I图线是( )
B [金属铂导体的电阻对温度的变化很敏感，电阻随温度的升高而增大，在一定温度下其U-I图线是非线性的，且图线的斜率越来越大，故B正确．]
3．如图所示，机器人装有作为眼睛的“传感器”，犹如大脑的“控制器”，以及可以行走的“执行器”，在它碰到障碍物前会自动避让并及时转弯．下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是( )
A．力传感器 B．光传感器
C．温度传感器 D．声音传感器
B [遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，故选项B正确，选项A、C、D错误．]
4．如图(a)所示的电路中，光敏电阻R2加上图(b)所示的光照时，R2两端的电压变化规律是( )
B [光敏电阻随光照的增强电阻减小，电路中电流增大，电阻R1两端电压增大，R2两端电压减小，但不能减小到零．故选项B正确．]
5．传感器是把非电学物理量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件．如图所示为一种电容传感器，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( )
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
D [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．]
6．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．参照下图，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
C [由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定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．]
7．如图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( )
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．以上说法都不对
AC [当光照射光敏电阻R1时，光敏电阻R1的阻值减小，回路中电流增大，R2两端的电压升高，信号处理系统得到高电压，计数器每由高电压转到低电压，就计一次数，从而能达到计数的目的．]
8．如图所示是用电流传感器(相当于电流表，其电阻可以忽略不计)研究自感现象的实验电路，图中两个电阻阻值均为R，L是一个自感系数足够大的电感线圈，其直流电阻值也为R.甲、乙、丙、丁是某同学画出的在t0时刻开关S切换前后，通过传感器的电流随时间变化的图像．关于这些图像，下列说法正确的是( )
A．甲图是开关S由断开变为闭合，通过传感器1的电流随时间变化的情况
B．乙图是开关S由断开变为闭合，通过传感器1的电流随时间变化的情况
C．丙图是开关S由闭合变为断开，通过传感器2的电流随时间变化的情况
D．丁图是开关S由闭合变为断开，通过传感器2的电流随时间变化的情况
BC [当开关S闭合时，由于线圈的自感作用，线圈中电流逐渐增大，因而通过传感器1的电流逐渐增大，A错误，B正确；当开关S断开时，线圈L与传感器2组成闭合回路，由于线圈L的自感作用，通过传感器2的电流将反向且从线圈中原有电流值开始逐渐减小，C正确，D错误．]
9．某同学设计的家庭电路保护装置如图所示，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( )
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
ABD [由于零线、火线中电流方向相反，产生磁场方向相反，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．]
10.有一种测量人体体重的电子秤，其原理图如图所示，它主要由踏板、压力传感器R(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)三部分构成．设踏板的质量可忽略不计，已知理想电流表的量程为3 A，电源电动势为12 V，内阻为2 Ω，电阻R随压力变化的函数式为R＝30－0.02F(F和R的单位分别是N和Ω)．下列说法正确的是( )
A．该秤能测量的最大体重是1 400 N
B．该秤能测量的最大体重是1 300 N
C．该秤零刻线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘0.375 A处
D．该秤零刻线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘0.400 A处
AC [当电流表满偏时，电阻Rmin＝－r＝Ω＝2 Ω.由R＝30－0.02F，将Rmin＝2 Ω代入上式，得Fmax＝1 400 N，即该秤能测量的最大体重是1 400 N．当F＝0时，R＝30 Ω，则I＝＝ A＝0.375 A，故A、C正确．]
二、非选择题(本题共6小题，共40分)
11．(6分) (1)如图甲所示为某宾馆的房卡，只有把房卡插入槽中，房间内的灯和插座才会有电．房卡的作用相当于一个________(填电路元件名称)接在干路上．
甲
(2)如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁铁的卡P插入盒子Q中，这时由于磁铁吸引簧片，开关B就接通，通过继电器J使整个房间的电器的总开关接通，房客便能使用室内各种用电器．当继电器工作时，cd相吸，ab便接通．请你将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电门卡电路．
乙
解析：(1)房卡可以控制房间内的灯和插座，不插入槽中，所有房间内的灯和插座都不工作，所以房卡相当于干路上的开关．(2)将开关B与电源E、线圈连成一个回路；将三个灯泡所在电路与交流电流接成回路，即按8—7,4—5,6—9,1—3,2—10连接起来，构成正常的电门卡电路．如图．
答案：(1)开关 (2)见解析图
12．(8分)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Ic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R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(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，Ic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)完成待调节的报警系统原理电路图的连线．
(2)电路中应选用滑动变阻器________(选填“R1”或“R2”)．
(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________(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________
______________________________________________________.
②将开关向________(选填“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．
解析：(1)电路图连接如图．
(2)报警器开始报警时，对整个回路有U＝Ic(R滑＋R热)
代入数据可得R滑＝1 150.0 Ω，因此滑动变阻器应选择R2.
(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0 Ω.滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝A≈27.7 mA，超过报警器最大电流20 mA，报警器可能损坏．②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止．
答案：(1)连线如解析图所示 (2)R2
(3)①650.0 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 ②c 报警器开始报警
13.(6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.
(1)开关S闭合和断开时，用电器分别处于什么状态？
(2)电源电压U＝220 V，加热时用电器功率为400 W，保温时用电器功率为40 W，求R1与R2的值．
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，处于加热状态，有Pmax＝，S断开时，处于保温状态，有Pmin＝，代入数据联立解得：R1＝121 Ω，R2＝1 089 Ω.
答案：(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
14．(6分)位移传感器的应用——加速度计．是测定物体加速度的仪器，它是导弹、飞机、潜艇或宇宙飞船等制导系统的信息源．如图为应变式加速度计的示意图，当系统加速时，加速度计中的元件A也处于加速状态，元件A由两弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，元件A的下端可在滑动变阻器R上自由滑动，当系统加速运动时，元件A发生位移并转换为电信号输出．
已知元件A的质量为m，两侧弹簧的劲度系数为k，电源电动势为E，内阻不计，滑动变阻器的总电阻为R，有效长度为l，静态时输出电压为U0，试推导加速度a与输出电压U的关系式．
解析：设静态时滑动变阻器的滑片距左端为x，传感器的输出电压为U0＝·x＝x ①
系统向左加速时滑片右移Δx，则元件A的动力学方程为2kΔx＝ma ②
传感器的输出电压为
U＝·(x＋Δx) ③
由①②③式得a＝
若U＞U0，系统的加速度水平向左；若U＜U0，系统的加速度水平向右．
答案：a＝ 方向向左为正
15．(6分)某同学设计了一种测定风力的装置，其原理如图所示，迎风板与一轻弹簧的一端N相接，穿在光滑的金属杆上．弹簧是绝缘材料制成的，其劲度系数k＝1 300 N/m，自然长度L0＝0.5 m，均匀金属杆用电阻率较大的合金制成，迎风板面积S＝0.5 m2，工作时总是正对着风吹来的方向．电路中左端导线与金属杆M端相连，右端导线接住N点并可随迎风板在金属杆上滑动，且与金属杆接触良好．限流电阻的阻值R＝1 Ω，电源的电动势E＝12 V，内阻r＝0.5 Ω.
合上开关，没有风时，弹簧长度为原长度，电压表的示数U1＝3.0 V；如果某时刻由于风吹使迎风板向左压缩弹簧，电压表示数为U2＝2.0 V，求：
(1)金属杆单位长度的电阻；
(2)此时作用在迎风板上的风力．
解析：设无风时金属杆接入电路的电阻为R1，风吹时接入电路的电阻为R2，由题意得
(1)无风时U1＝R1
得R1＝＝ Ω＝0.5 Ω
设金属杆单位长度的电阻为R′，则R′＝＝ Ω/m＝1 Ω/m.
(2)有风时U2＝R2
得R2＝＝ Ω＝0.3 Ω
此时，弹簧长度L＝＝ m＝0.3 m
压缩量x＝L0－L＝0.5 m－0.3 m＝0.2 m
则此时风力F＝kx＝1 300×0.2 N＝260 N.
答案：(1)1 Ω/m (2)260 N
16．(8分)有一种测量压力的电子秤，其原理如图所示．E是内阻不计、电动势为6 V的电源．R0是一个阻值为300 Ω的限流电阻．G是由理想电流表改装成的指针式测力显示器．R是一个压敏电阻，其阻值可随压力大小的变化而改变，其关系如下表所示。C是一个用来保护显示器的电容器．秤台的重力忽略不计，试分析：
压力F/N
0
50
100
150
200
250
300
…
电阻R/Ω
300
280
260
240
220
200
180
…
(1)利用表中的数据，写出电阻R随压力F变化的数学关系式．
(2)若电容器的耐压值为5 V，该电子秤的最大称量值为多少？
(3)如果把电流表中电流的刻度变换成压力刻度，则该测力显示器的刻度是否均匀？
解析：(1)由表中数据可知，k＝＝－＝－0.4 Ω/N
所以电阻R随压力F变化的数学关系式为R＝300－0.4F.
(2)R上受到的压力越大，R的阻值越小，电容器两极板电压越大，
但不能超过5 V，所以＝，解得R＝60 Ω
又因为R＝300－0.4F，得F＝600 N.
(3)电流表中的电流I＝＝
电流I与压力F不是线性关系，该测力显示器的刻度不均匀．
答案：(1)R＝300－0.4F (2)600 N (3)不均匀
