一、傳感器的工作原理1.概念:能夠感受外界信息,并將其按照一定的規律轉換成

的器件或裝置,叫傳感器.2.組成:一般由

、轉換器件、轉換電路三個部分組成.3.原理:通過對某一物理量敏感的元件,將感受到的物理量按一定規律轉換成便于測量的量.例如,光電傳感器利用

將光信號轉換成電信號;熱電傳感器利用

將溫度信號轉換成電信號.傳感器的原理及應用考點自清電信號敏感元件光敏電阻熱敏電阻4.流程:5.類別:最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉換器)組成,它感受被測量時,直接輸出電學量,如熱電偶.有的傳感器由敏感元件和轉換器件組成,設有轉換電路,如光電池、光電管等;有的傳感器,轉換電路不止一個,要經過若干次轉換.6.傳感器的分類:目前對傳感器尚無一個統一的分類方法,常用的分類方法有兩個: (1)按

分類,如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度等非電學量時,相應的傳感器稱為

傳感器、

傳感器、

傳感器、速度傳感器、加速度傳感器. (2)按傳感器的

分類,可分為

傳感器、

傳感器、電感傳感器、電壓傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、光柵傳感器等.7.傳感器的元件:制作傳感器時經常使用的元件有光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、霍爾元件等.輸入量溫度壓力位移工作原理電阻電容3.溫度傳感器:①敏感元件:熱敏電阻和

; ②應用:電熨斗、電飯鍋、測溫儀、溫度報警器.4.光傳感器:①敏感元件:光敏電阻、光電管、光電二極管、光電三極管等;②應用:鼠標、火災報警器、光控開關.金屬熱電阻熱點一傳感器的元件1.光敏電阻:光敏電阻能把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量. (1)特性:光敏電阻在被光照射時電阻發生變化.光照增強,電阻變小;光照減弱,電阻增大. (2)工作原理:光敏電阻是用半導體材料制成的,硫化鎘在無光時,載流子(導電電荷)極少,導電性能不好;隨著光照的增強,載流子也增多,導電性能變好.熱點聚焦2.熱敏電阻和金屬熱電阻:熱敏電阻或金屬熱電阻能把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量. (1)特性:金屬的電阻率隨溫度的升高而增大,用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為熱電阻.有些半導體,電阻率隨溫度的變化非常明顯;溫度上升時,有些半導體的導電能力增強. (2)電阻——溫度特性曲線(如圖1所示)

a金屬導線;b熱敏電阻.圖1(2)工作原理:外部磁場使運動的載流子受到洛倫茲力,在導體板的一側聚集,在導體板的另一側會出現多余的另一種電荷,從而形成橫向電場;橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力.當靜電力與洛倫茲力達到平衡時,導體板左右兩側會形成穩定的電壓.圖2熱點二常用的電容式傳感器1.角度的電容式傳感器,原理是當旋轉動片時,電容器兩個彼此絕緣的金屬板的正對面積發生變化,從而引起電容發生變化.如圖3甲所示.圖32.液體的電容式傳感器,原理是導電液體相當于電容器的一個極板,當液體的深度發生變化時,相當于兩個極板的正對面積發生變化,從而電容發生變化.如圖乙所示.3.位移的電容式傳感器,原理是當電解質板插入兩金屬極板間不同的距離時,隨著電解質板位移的變化,電容隨之變化.如圖丙所示.4.壓力的電容式傳感器,原理是當作用在一個電極上的壓力改變時,金屬片的形狀發生變化,兩金屬板的距離發生變化,電容隨之改變.如圖丁所示.題型探究題型1傳感器的工作原理【例1】如圖5甲是某同學設計的電容式速度傳感器原理圖,其中上板為固定極板,下板為待測物體,在兩極板間電壓恒定的條件下,極板上所帶電荷量Q將隨待測物體的上下運動而變化.若Q隨時間t的變化關系為Q=（a、b為大于零的常數）,其圖象如圖乙所示,那么圖丙、圖丁中反映極板間場強大小E和物體速率v隨t變化的圖線可能是 （ ）圖5A.①和③ B.①和④C.②和③ D.②和④ 本題解題的關鍵點是(1)電容器的基本公式U=.(2)勻強電場中滿足E=.(3)根據函數確定圖象大致形狀.思路點撥本題以電容式速度傳感器和圖象立意命題,考查了勻強電場中的場強與電勢差的關系、平行板電容器知識和用圖象表示物理量之間的關系等,本題難度較大.求解本題,要注意利用“Q隨時間t的變化關系Q=及其圖象乙”這一信息,然后結合電場相關知識導出圖丙、圖丁涉及的兩物理量間的數學關系式,進而判斷給定圖象的正誤.方法提煉變式練習1

如圖6所示是電飯鍋的結構,試回答下列問題:(1)開始煮飯時為什么要壓下開關按鈕？手松開后這個按鈕是否會恢復到圖示的狀態？為什么？(2)煮飯時水沸騰后鍋內是否會大致保持一定的溫度?為什么?圖6(3)飯熟后,水分被大米吸收.鍋底的溫度會有什么變化?這時電飯鍋會自動地發生哪些動作?(4)如果用電飯鍋燒水,能否在水沸騰后自動斷電?為什么?答案

(1)開始煮飯時壓下手動開關,使永磁體和感溫磁體吸合,以保持觸點接觸,接通電熱電路;手松開后這個按鈕不會恢復到圖示狀態,因為永磁體與感溫磁體相互吸引,彈簧的彈力不能使永磁體恢復原狀態.(2)水沸騰后,鍋內的溫度應大致保持在100℃,因為水的沸點是100℃,此時水分未被米吸收完,鍋內水分較充足,所以能保持一段時間.題型2溫度傳感器的應用【例2】如圖7所示,圖甲為熱敏電阻的R—t圖象,圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路,繼電器的電阻為100Ω.當線圈的電流大于或等于20mA時,繼電器的銜鐵被吸合.為繼電器線圈供電的電池的電動勢E=9.0V,內阻可以不計.圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源.問:圖7(1)應該把恒溫箱內的加熱器接在

(填“A、B”端或“C、D”端).(2)如果要使恒溫箱內的溫度保持50℃,可變電阻R′的阻值應調節為

Ω.思維導圖解析

恒溫箱內的加熱器應接在A、B端.當線圈中的電流較小時,繼電器的銜鐵在上方,恒溫箱的加熱器處于工作狀態,恒溫箱內溫度升高.隨著恒溫箱內溫度升高,熱敏電阻R的阻值變小,則線圈中的電流變大,當線圈的電流大于或等于20mA時,繼電器的銜鐵被吸到下方來,則恒溫箱加熱器與電源斷開,加熱器停止工作,恒溫箱內溫度降低.隨著恒溫箱內溫度降低,熱敏電阻R的阻值變大,則線圈中的電流變小,當線圈的電流小于20mA時,繼電器的銜鐵又被釋放到上方,則恒溫箱加熱器又開始工作,這樣變式練習2傳感器擔負著信息的采集任務,在自動控制中發揮著重要作用,傳感器能夠將感受到的物理量(如溫度、光、聲等)轉換成便于測量的量(通常是電學量),例如熱敏傳感器,主要是應用了半導體材料制成的熱敏電阻.熱敏電阻阻值隨溫度變化的圖線如圖8甲所示,圖乙是由熱敏電阻Rt作為傳感器制作的簡單自動報警器的線路圖.問:圖8(1)為了使溫度過高時報警器鈴響,c應接在

(填a或b).(2)若使啟動報警的溫度提高些,應將滑動變阻器滑片P點向

移動(填左或右).(3)如果在調試報警器達最低報警溫度時,無論如何調節滑動變阻器滑片P都不能使報警器工作,且電路連接完好,各電路元件都能處于工作狀態,則造成工作電路實際不能工作的原因可能是

.答案

(1)a(2)左(3)可能是乙圖中左邊電源電壓太低或者線圈的匝數太少或者彈簧的勁度系數太大等題型3壓力傳感器的應用【例3】如圖9所示為某種電子秤的原理示意圖,AB為一均勻的滑動變阻器,阻值為R,長度為L,兩邊分別有P1、P2兩個滑動頭,P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態而上下自由滑動,彈簧處于原長時,P1剛好指著A端,P1與托盤固定相連,若P1、P2間出現電壓時,該電壓經過放大,通過信號轉換器后在顯示屏上可顯示物體重力的大小.已知彈簧的勁度系數為k,托盤自身質量為m0,電源電動勢為E,內阻不計,當地的重力加速度為g.求：(3)在托盤上未放物體時通常先校準零點,其方法是：調節P2,使P2離A的距離也為x1,從而使P1、P2間的電壓為零.校準零點后,將物體m放在托盤上,試推導出物體質量m與P1、P2間的電壓U之間的函數關系式.解析

(1)彈簧處于原長時,P1剛好指著A端,在托盤自身重力作用下(托盤自身質量為m0),P1離A的距離為x1,由力學平衡知識得m0g=kx1 ①解得x1= ②(2)由受力分析可知:m0g+mg=kx2 ③解得x2= ④(3)當托盤上放有質量為m的物體時,P1離P2的距離為x2-x1= ⑤滑動變阻器與電源組成的電路中電流恒定,電源內阻不計,由閉合電路歐姆定律可知I=⑥P1、P2間電壓U=IR12=(x2-x1)= ⑦可解得m= ⑧答案

(1)(2)(3)m=【評分標準】

本題共12分.其中①③⑥⑦式各2分,②④⑤⑧式各1分.【名師導析】本題背景內容新穎、形式靈活,這是現今高考的趨勢之一.有的學生因讀不透材料、得不到相關的信息而墜入云里霧中.題目意在考查學生對所學知識的理解能力、對實際問題的分析和判斷能力、對圖象信息的提取和加工能力.自我批閱(18分)用如圖10所示的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運動的加速度,該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個由力敏電阻組合成的壓力傳感器,用兩根相同的輕彈簧夾著一個質量為2.0kg的滑塊,滑塊可無摩擦滑動,兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上,其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出.現將裝置沿運動方向固定在汽車上,傳感器b在前,傳感器a在后.汽車靜止時,傳感器a、b的示數均為10N.(g取10m/s2)(1)若傳感器a的示數為14N,b的示數為6.0N,求此時汽車的加速度大小和方向.(2)當汽車以怎樣的加速度運動時,傳感器a的示數為零.圖10解析

傳感器上所顯示出力的大小,即彈簧對傳感器的壓力,據牛頓第三定律知,此即為彈簧上的彈力大小,亦即該彈簧對滑塊的彈力大小.(1)如右圖所示,依題意：左側彈簧對滑塊向右的推力F1=14N,右側彈簧對滑塊的向左的推力F2=6.0N.(3分)滑塊所受合力產生加速度a1,根據牛頓第二定律有F1-F2=ma1 (3分)得a1= m/s2=4m/s2 (2分)a1與F1同方向,即向前(向右). (2分)(2)a傳感器的讀數恰為零,即左側彈簧的彈力F1′=0,因兩彈簧相同,左彈簧伸長多少,右彈簧就縮短多少,所以右彈簧的彈力變為F2′=20N. (3分)滑塊所受合力產生加速度,由牛頓第二定律得F合=F2′=ma2 (3分)得a2= =-10m/s2負號表示方向向后(向左). (2分)答案

(1)4m/s2向右(2)10m/s2向左能力提升1.關于傳感器的下列說法正確的是 ( ) A.所有傳感器的材料都是由半導體材料做成的 B.金屬材料也可以制成傳感器 C.傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的 D.以上說法都不正確

解析

半導體材料可以制成傳感器,其他材料也可以制成傳感器,如金屬氧化物氧化錳就可以制成溫度計,所以A錯,B正確,傳感器不但能感知電壓的變化,還能感受力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量,所以C錯.B2.下列說法中正確的是 ( ) A.話筒是一種常用的聲音傳感器,其作用是將電信號 轉換為聲信號 B.電熨斗能夠自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬 片溫度傳感器,這種傳感器的作用是控制電路的通斷 C.電子秤所使用的測力裝置是力傳感器 D.半導體熱敏電阻常用作溫度傳感器,因為溫度越高, 它的電阻值越大

解析

話筒是將聲信號轉換為電信號,A錯誤.半導體熱敏電阻常用作溫度傳感器,因為溫度越高,它的電阻值越小,D錯誤.BC3.在如圖11所示的電路中,電源兩端 的電壓恒定,L為小燈泡,R為光敏 電阻,LED為發光二極管(電流越大, 發出的光越強),且R與LED相距不 變,下列說法正確的是 ( ) A.當滑動觸頭P向左移動時,L消耗的功率增大 B.當滑動觸頭P向左移動時,L消耗的功率減小 C.當滑動觸頭P向右移動時,L消耗的功率可能不變 D.無論怎樣移動觸頭P,L消耗的功率都不變圖11

解析

觸頭P左移,使其電阻減小,流過二極管的電流增大,從而發光增強,使光敏電阻R減小,最終達到增大流過燈泡電流的效果.

答案

A4.圖12是霍爾元件的工作原理示意 圖,如果用d表示薄片的厚度,k為 霍爾系數,對于一個霍爾元件d、

k為定值,如果保持電流I恒定,則 可以驗證UH隨B的變化情況.以下說法中正確的是 ( ) A.將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面 時,UH將變大 B.在測定地球兩極的磁場強弱時,霍爾元件的工作面 應保持水平 C.在測定地球赤道上的磁場強弱時,霍爾元件的工作 面應保持水平 D.改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,UH將發生變化圖12

解析

根據公式UH=k可以看出,當磁極靠近霍爾元件的工作面時,B增大,UH將變大;在地球兩極附近,可以認為地磁場與水平面垂直,霍爾元件的工作面保持水平,故B答案正確.而在赤道上,地磁與水平面平行.若霍爾元件的工作面保持水平,則無電壓產生,C錯誤;改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,相當于改變了霍爾系數k,故UH將發生變化,故D正確.

答案

ABD5.如圖13所示,是一個測定液體高度的傳感器,在導線芯的外面涂上一層絕緣物質,放在導電液中,導線芯和導電液構成電容器的兩極,把這兩極接入外電路,當外電路中的電流變化使電容值增大時,則導電液體深度h變化為 ( ) A.h增大 B.h減小 C.h不變 D.無法確定圖13

解析由題意知,導線芯和導電液體構成電容器的兩極,類似于平行板電容器的兩極,當液面高度發生變化時相當于兩極正對面積發生變化,會引起電容的變化,與平行板電容器類比可得,導電液體深度h增大時,導線芯和導電液體正對面積增大,電容器的電容值變大.

答案

A6.如圖14所示,動圈式話筒能夠將聲音轉變為微弱的電信號(交變電流),產生的電信號一般都不是直接送給擴音機,而是經過一只變壓器之后再