第十三章交變電流電磁波傳感器第4課時傳感器實驗十六：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置目標要求1.掌握制作傳感器的常用元件：光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、電阻應變片、霍爾元件的基本特性及工作原理。2.探究傳感器的工作原理及傳感器應用的一般模式。3.能利用傳感器制作簡單的自動控制裝置。內容索引考點一常見的傳感器考點二實驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置考點三含傳感器的電學實驗課時精練><考點一常見的傳感器一、傳感器及其工作原理1.傳感器的工作原理：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等被測量，并能把它們按照一定的規律轉換為便于傳送和處理的可用信號輸出。通常轉換成的可用信號是電壓、電流等_____量，或轉換為電路的_____。把非電學量轉換為電學量，可以很方便地進行測量、_____、處理和_____。電學通斷傳輸控制傳感器應用的一般模式如圖所示：2.傳感器的核心元件(1)敏感元件：能直接感受或響應外界被測非電學量的部分。(2)轉換元件：能將敏感元件輸出的信號直接轉換成_______的部分。(3)信號調整與轉換電路：能把輸出的微弱的電信號放大的部分。電信號3.傳感器的分類

工作原理舉例物理傳感器利用物質的物理特性或物理效應感知并檢測出待測對象信息力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等化學傳感器利用電化學反應原理，把無機或有機化學物質的成分、濃度轉換為電信號離子傳感器、氣體傳感器等生物傳感器利用生物活性物質的選擇性來識別和測定生物化學物質酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器等二、常見敏感元件1.光敏電阻(1)特點：一般情況下，光照越強，電阻越小。(2)原因：光敏電阻的構成物質為半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能____；隨著光照的_____，載流子增多，導電性_____。(3)作用：把_________這個光學量轉換為_____這個電學量。差增強變好光照強弱電阻2.熱敏電阻和金屬熱電阻(1)熱敏電阻熱敏電阻一般由半導體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻_____，如圖甲所示為某一熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性曲線。(2)金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的升高而_____，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導線電阻的溫度特性曲線。減小增大(3)作用：熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量。注意：在工作溫度范圍內，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負溫度系數(NTC)熱敏電阻器。3.電阻應變片(1)電阻應變片的作用：電阻應變片能夠把物體_____這個力學量轉換為_____這個電學量。(2)電子秤的組成及敏感元件：由_______和電阻_______組成，敏感元件是_______。形變電阻金屬梁應變片應變片(3)電子秤的工作原理金屬梁自由端受力F?金屬梁發生彎曲?應變片的電阻變化?兩應變片上電壓的差值變化4.霍爾元件的應用霍爾元件是根據霍爾效應原理制成的一種磁敏元件。一般用于電機中測定轉子的轉速，如錄像機的磁鼓、電腦中的散熱風扇等。(1)霍爾元件的工作原理：E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B，薄片中的載流子就在洛倫茲力作用下，向著與電流和磁場都垂直的方向漂移，使M、N間出現電壓(如圖所示)。(2)霍爾元件在電流、電壓穩定時，載流子所受靜電力和洛倫茲力二力平衡。(3)霍爾電壓：UH＝

(d為薄片的厚度，k為霍爾系數)。其中UH與B成正比，所以霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量。1.傳感器是把非電學量轉換為電學量的元件。(

)2.傳感器只能感受溫度和光兩個物理量。(

)3.隨著光照的增強，光敏電阻的電阻值一定逐漸增大。(

)4.電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，它是把力信號轉換為電壓信號。(

)√××√例1

(多選)(2023·浙江1月選考·14)下列說法正確的是A.利用電容傳感器可制成麥克風B.物體受合外力越大，則動量變化越快C.利用紅外傳感器可制成商場的自動門D.牛頓運動定律不適用，則動量守恒定律也不適用√√√聲音使振動膜片振動，改變兩極板間距離，使聲音信號轉換成電信號，則利用電容傳感器可制成麥克風，故A正確；由動量定理有F合t＝Δp，可得

＝F合，可知物體受合外力越大，則動量變化越快，故B正確；人體可以向外界釋放紅外線，感應裝置接收到紅外線后，可以開門，則利用紅外傳感器可制成商場的自動門，故C正確；牛頓運動定律只適用于宏觀低速問題，不適用于微觀高速問題，而動量守恒定律既適用于低速宏觀問題，也適用于高速微觀問題，故D錯誤。例2

(2022·北京卷·13)某同學利用壓力傳感器設計水庫水位預警系統。如圖所示，電路中的R1和R2，其中一個是定值電阻，另一個是壓力傳感器(可等效為可變電阻)。水位越高，對壓力傳感器的壓力越大，壓力傳感器的電阻值越小。當a、b兩端的電壓大于U1時，控制開關自動開啟低水位預警；當a、b兩端的電壓小于U2(U1、U2為定值)時，控制開關自動開啟高水位預警。下列說法正確的是A.U1<U2B.R2為壓力傳感器C.若定值電阻的阻值越大，開啟高水位預警時的水位越低D.若定值電阻的阻值越大，開啟低水位預警時的水位越高√由題意可知水位越高，對壓力傳感器的壓力越大，壓力傳感器的電阻值越小。控制開關自動開啟低水位預警，此時水位較低，壓力傳感器的電阻值較大，由于a、b兩端此時的電壓大于U1，根據串聯電路電壓分布特點可知，R1為壓力傳感器，故高水位時壓力傳感器的電阻值變小，壓力傳感器R1兩端電壓變小，U1>U2，A、B錯誤；返回實驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置><考點二例3

(2023·四川內江市模擬)純電動汽車的蓄電池的安全性，主要體現在對其溫度的控制上，當電池溫度過高時，必須立即啟動制冷系統進行降溫。圖甲是小明設計的模擬控溫裝置示意圖，電磁繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器RP串聯接在電壓為5V的電源(不計內阻)兩端。當電磁鐵線圈(電阻不計)中的電流I大于或等于20mA時，銜鐵被吸合，熱敏電阻置于溫度監測區域，其阻值Rt與溫度t的關系如圖乙所示，滑動變阻器的最大阻值為200Ω。則：(1)圖甲中應將b端與_____(選填“a”或“c”)端相連；c由題意可知，當控制電路電流達到20mA時銜鐵被吸合，制冷系統工作，所以題圖甲中，應將b端與c端相連。(2)若設置電池溫度為50℃時啟動制冷系統，則滑動變阻器阻值應為_____Ω；150(3)該電路可設置啟動制冷系統的最高溫度是_____℃。73當滑動變阻器調到最大阻值200Ω時，熱敏電阻的阻值Rt′＝R－RP′＝250Ω－200Ω＝50Ω，由題圖乙可知此時對應的溫度為73℃，所以此時該電路可設置啟動制冷系統的最高溫度是73℃。返回含傳感器的電學實驗><考點三例4

(2022·重慶卷·11)某興趣小組研究熱敏電阻在通以恒定電流時，其阻值隨溫度的變化關系。實驗電路如圖所示，實驗設定恒定電流為50.0μA，主要實驗器材有：恒壓直流電源E、加熱器、測溫儀、熱敏電阻RT、可變電阻R1、電流表A、電壓表V。(1)用加熱器調節RT的溫度后，為使電流表的示數仍為50.0μA，須調節___________(選填一種給定的實驗器材)。當RT兩端未連接電壓表時，電流表示數為50.0μA；連接電壓表后，電流表示數顯著增大，須將原電壓表更換為內阻_______(選填“遠大于”“接近”或“遠小于”)RT阻值的電壓表。可變電阻R1遠大于由題知恒壓直流電源E的電動勢不變，而用加熱器調節RT的溫度后，導致整個回路的總電阻改變，而要確保電流表的示數仍為50.0μA，則需控制整個回路的總電阻不變，故須調節可變電阻R1。(2)測得RT兩端的電壓隨溫度的變化如圖所示，由圖可得溫度從35.0℃變化到40.0℃的過程中，RT的阻值隨溫度的平均變化率是_______kΩ·℃－1(保留2位有效數字)。－1.2實驗設定恒定電流為50.0μA，由題圖可得溫度為35.0℃時電壓表的電壓為1.58V，則根據歐姆定律可知此時熱敏電阻RT1＝31.6kΩ；溫度為40.0℃時電壓表的電壓為1.28V，則根據歐姆定律可知此時熱敏電阻RT2＝25.6kΩ，則溫度從35.0℃變化到40.0℃的過程中，RT的阻值隨溫度的平均變化率是k＝

＝－1.2kΩ·℃－1，負號表示隨著溫度升高RT的阻值減小。例5

(2023·湖南卷·12)某探究小組利用半導體薄膜壓力傳感器等元件設計了一個測量微小壓力的裝置，其電路如圖(a)所示，R1、R2、R3為電阻箱，RF為半導體薄膜壓力傳感器，C、D間連接電壓傳感器(內阻無窮大)。(1)先用歐姆表“×100”擋粗測RF的阻值，示數如圖(b)所示，對應的讀數是______Ω；1000歐姆表讀數為10×100Ω＝1000Ω(2)適當調節R1、R2、R3，使電壓傳感器示數為0，此時，RF的阻值為______(用R1、R2、R3表示)；(3)依次將0.5g的標準砝碼加載到壓力傳感器上(壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大小)，讀出電壓傳感器示數U，所測數據如下表所示：次數123456砝碼質量m/g0.00.51.01.52.02.5電壓U/mV057115168220280根據表中數據在圖(c)上描點，繪制U－m關系圖線；答案見解析圖繪出U－m圖像如圖所示(4)完成前面三步的實驗工作后，該測量微小壓力的裝置即可投入使用。在半導體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F0，電壓傳感器示數為200mV，則F0大小是__________N(重力加速度取9.8m/s2，保留2位有效數字)；1.7×10－2由圖像可知，當電壓傳感器的讀數為200mV時，所放物體質量為1.75g，則F0＝mg＝1.75×10－3×9.8N≈1.7×10－2N(5)若在步驟(4)中換用非理想毫伏表測量C、D間電壓，在半導體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F1，此時非理想毫伏表讀數為200mV，則F1____F0(填“>”“＝”或“<”)。>可將C、D以外的電路等效為新的電源，C、D兩點電壓看作路端電壓，C、D接非理想電壓傳感器，當讀數為200mV時，實際C、D間斷路(接理想電壓傳感器時)時的電壓大于200mV，則此時壓力傳感器的讀數F1>F0。返回課時精練1.基于“巨磁電阻效應”開發的用于讀取硬盤數據的技術，被認為是納米技術的第一次真正應用。在下列有關其他電阻應用的說法中錯誤的是A.熱敏電阻可應用于溫度測控裝置中B.光敏電阻是一種光電傳感器C.電阻絲可應用于電熱設備中D.電阻在電路中主要起到通過直流、阻礙交流的作用√12345678熱敏電阻對溫度很敏感，可用于溫度測控裝置中，光敏電阻對光照很敏感，是一種光電傳感器，電阻絲可用于電熱設備中，所以A、B、C三個說法均正確；交流電、直流電均可通過電阻，電阻對它們均可產生阻礙作用，所以D錯誤。123456782.(2023·北京市人大附中檢測)物理學中用照度描述光的強弱，光越強照度越大，照度的單位為lx。某實驗室采用光敏電阻制作光控開關來控制照明系統，光敏電阻在不同照度下的阻值如下表。控制電路原理如圖甲所示，電路中的電阻R1和R2，其中一個是定值電阻，另一個是光敏電阻，已知直流電源電動勢E＝3V，內阻不計，實驗室某日的照度隨時間變化曲線如圖乙，當控制開關兩端電壓U≥2V時，控制開關自動啟動照明系統。12345678照度/lx0.20.40.60.81.01.2電阻/kΩ754024201815則下列說法正確的是A.R1為定值電阻，R2為光敏電阻B.照度越大，該電路控制開關兩端的電壓越大C.若將定值電阻的阻值變為20kΩ，該天6：00后照明系統即可工作D.該電路中定值電阻阻值越大，該天的照明系統工作的時間越短√12345678照度/lx0.20.40.60.81.01.2電阻/kΩ754024201815當控制開關兩端電壓U≥2V時，控制開關自動啟動照明系統，可知照度小時，控制開關兩端電壓大；根據表格數據可知照度小時，光敏電阻阻值大，則R1為光敏電阻，R2為定值電阻；照度越大，光敏電阻R1阻值越小，該電路控制開關兩端的電壓越小，故A、B錯誤；12345678照度/lx0.20.40.60.81.01.2電阻/kΩ754024201815若將定值電阻的阻值變為20kΩ，由串聯電路分壓規律知控制開關自動啟動時光敏電阻為40kΩ，此時對應照度為0.4lx，根據題圖乙可知該天系統工作時間段為0～6：00、18：00～24：00，故C錯誤；該電路中定值電阻阻值越大，控制開關自動啟動時光敏電阻越大，此時對應照度越小，該天的照明系統工作的時間越短，故D正確。12345678照度/lx0.20.40.60.81.01.2電阻/kΩ7540242018153.(2024·湖北省模擬)如圖所示，虛線框內為漏電保護開關的原理示意圖：變壓器A處用火線和零線平行繞制成線圈，然后接到用電器。B處有一個輸出線圈，一旦線圈B中有電流，經放大后便能推動繼電器切斷電源。如果甲、乙、丙、丁四人分別以圖示方式接觸電線(裸漏部分)，甲、乙、丙站在木凳上，則下列說法正確的是A.甲會發生觸電事故，繼電器不會切

斷電源B.乙會發生觸電事故，繼電器會切斷電源C.丙會發生觸電事故，繼電器會切斷電源D.丁會發生觸電事故，繼電器會切斷電源√12345678從題圖中可知A線圈是用火線和零線雙股平行線繞制成線圈，正常情況下火線和零線中電流方向相反、大小相等，線圈A產生的總磁通量為零，當漏電時，火線和零線中電流方向相反、大小不等，線圈A產生的總磁通量不為零，增加了，故會在線圈B中產生感應電流，經放大后便能推動繼電器切斷電源。甲、乙站在木凳上(人與地絕緣)接觸火線時，火線和零線中電流方向相反、大小相等，線圈A產生的總磁通量為零，線圈B中不產生感應電流，繼電器均不會切斷電源，甲、乙不會發生觸電事故，12345678但丙雙手接觸“火線與零線”會觸電(人與地絕緣)，火線和零線中電流方向相反、大小相等，線圈A產生的總磁通量為零，線圈B中不會產生感應電流，故繼電器不會切斷電源，但人會觸電，A、B、C錯誤；當丁如題圖中所示接觸火線時會觸電，會導致一部分電流通過大地，火線和零線中電流方向相反、大小不等，線圈A產生的總磁通量不為零，即增加了，故會在線圈B中產生感應電流，經放大后便能推動繼電器切斷電源，D正確。123456784.圖甲是一種家用門窗防盜報警裝置，圖乙是干簧管元件。安裝時，在門的上沿嵌入一小塊永磁體M，門框內與M相對的位置嵌入干簧管SA，并將干簧管接入報警電路(蜂鳴報警器)，睡覺前連接好電路，啟動防盜報警裝置，當門緊閉時，蜂鳴報警器不響，當門被打開時，蜂鳴報警器發出聲音警報，下列有關說法正確的是A.當門關閉時，干簧管兩簧片接通B.干簧管可以由銅或銀等導電性能更好

的材料制成C.如將門上鑲嵌磁體的N、S極對調后，該報警器不能正常工作D.本裝置是利用電磁感應原理控制電路√12345678干簧管為磁控開關，當門關閉時有磁體，干簧管兩簧片接通，故D錯誤，A正確；銅或銀不是磁性材料，則干簧管不可以由銅或銀等導電性能更好的材料制成，故B錯誤；如將門上鑲嵌磁體的N、S極對調后，不影響磁體吸引干簧管兩簧片，該報警器能正常工作，故C錯誤。123456785.(2023·福建福州市二模)電子溫度計的核心元件是熱敏電阻。某型號的熱敏電阻說明書顯示的RT－t圖像如圖甲所示。學習小組想測量該熱敏電阻RT在34～42℃的阻值與溫度的關系。實驗器材有電源(輸出電壓恒為U＝12.0V，不計內阻)，電流表A(量程Ig＝50mA，內阻rg＝50Ω)等，實驗電路圖如圖乙所示。12345678主要實驗步驟如下：①閉合開關S，調節滑動變阻器R，使電流表滿偏；②保持滑動變阻器R接入電路的阻值不變，斷開開關S，將RT做好防水處理后同溫度計一起放進燒杯里，燒杯中倒入溫水，當溫度計示數為合適值時，讀出電流表示數I；③水溫逐漸降低，讀出不同溫度下電流表示數I，填到記錄表格中。12345678請完成以下問題；(1)有兩個滑動變阻器可供選擇，最大阻值分別為100Ω、200Ω，本實驗應選擇最大阻值為_____Ω的滑動變阻器。12345678200閉合開關，調節滑動變阻器R，當電流表滿偏時有

＝R＋rg＝240Ω，因此可知滑動變阻器需要調節到190Ω，則需選擇最大阻值為200Ω的滑動變阻器。(2)溫度為42℃時電流表指針如圖丙所示，讀數為I＝_____mA，則測得的此溫度下熱敏電阻的阻值RT＝______Ω(保留1位小數)。1234567830.7150.9根據電流表的表盤刻度可知，該電流表的精度為1mA，因此讀數時需估讀到下一位，根據指針所示可讀得電流表得示數為30.7mA；根據閉合電路歐姆定律有U＝I(RT＋rg＋R)，代入數據解得RT≈150.9Ω。(3)小組利用此熱敏電阻和電磁繼電器設計一個溫度報警裝置，環境溫度低于42℃時報警指示燈不亮，達到或超過42℃時指示燈亮，電路圖如圖丁所示。則指示燈應連接在_______(填“AB”或“CD”)間。12345678CD根據溫度報警器組裝的電路圖，當溫度低于42℃時，熱敏電阻的阻值較大，電磁繼電器線圈中的電流較小，磁力不足以把銜鐵吸下，燈不亮，說明報警指示燈連接在CD間。6.(2023·河北省聯考)某科技興趣小組對具有自動加水功能的家用電熱壺的原理十分感興趣，于是自行設計了一個簡化的裝置示意圖和電路圖，如圖甲所示。該裝置可以實現在壺中的水量不足時自動加水，而在達到“預設水量”時，又能夠自動停止加水的目的。底座可以承受水壺和水的全部重量，底座壓在一個以O點為固定轉軸的L形杠桿上。杠桿ABO段水平，另一端與壓力傳感器R1接觸，R1的阻值與壓力F之間的關系圖像如圖乙所示。12345678當“控制電路”的輸入端電壓大于等于1V時，能控制水泵的電機開始工作，將水抽到水壺中。已知電源的電動勢為6V，內阻為1Ω，R2為電阻箱(0～99.9Ω)，水壺中沒有水時，水壺和底座的總質量為0.5kg，重力加速度g取10m/s2，“控制電路”輸入端中的電流十分微弱，可以忽略，杠桿絕緣且質量不計，不考慮加水時水流的沖擊力。回答下列問題：12345678(1)水龍頭往水壺加水的過程中，R1的阻值逐漸______，R2兩端的電壓逐漸______(均選填“增大”或“減小”)；為了實現上述功能，“控制電路”的輸入端應該并聯在電路的______端點(選填“a、b”或“c、d”)。12345678減小增大a、b加水的過程中，壓力F變大，由題圖乙知，R1的阻值逐漸減小，則電路總電阻逐漸減小，根據閉合電路歐姆定律可知，電路電流逐漸增大，則R2兩端的電壓逐漸增大；為了在水量達到“預設水量”時電機停止工作，要使“控制電路”輸入端電壓隨水量的增加而減小，則“控制電路”輸入端應該連接電路的a、b端點。12345678(2)該小組的同學調節底座與杠桿的接觸位置B，使圖甲中OA的長度為OB長度的2倍，并要求“預設水量”為1L(對應的水的質量為1kg)。已知電阻R1受到的壓力F＝

其中FB為杠桿上B點受到的壓力，則應將R2調節為______Ω，此時R2兩端的電壓為____V。1234567824.04.8123456787.(2020·全國卷Ⅲ·23)已知一熱敏電阻當溫度從10℃升至60℃時阻值從幾千歐姆降至幾百歐姆，某同學利用伏安法測量其阻值隨溫度的變化關系。所用器材：電源E、開關S、滑動變阻器R滑(最大阻值為20Ω)、電壓表(可視為理想電表)和毫安表(內阻約為100Ω)。(1)在所給的器材符號之間畫出連線，組成測量電路圖。12345678答案見解析圖滑動變阻器最大阻值僅20Ω，應采用分壓式接法，電壓表為理想電表，應采用毫安表外接法，測量電路圖如圖所示。12345678(2)實驗時，將熱敏電阻置于溫度控制室中，記錄不同溫度下電壓表和毫安表的示數，計算出相應的熱敏電阻阻值。若某次測量中電壓表和毫安表的示數分別為5.5V和3.0mA，則此時熱敏電阻的阻值為______kΩ(保留2位有效數字)。實驗中得到的該熱敏電阻阻值R隨溫度t變化的曲線如圖(a)所示。123456781.8(3)將熱敏電阻從溫控室取出置于室溫下，測得達到熱平衡后熱敏電阻的阻值為2.2kΩ。由圖(a)求得，此時室溫約為______℃(保留3位有效數字)。1234567825.5根據R－t圖像，R＝2.2kΩ時，t約為25.5℃。(4)利用實驗中的熱敏電阻可以制作溫控報警器，其電路的一部分如圖(b)所示。圖中，E為直流電源(電動勢為10V，內阻可忽略)；當圖中的輸出電壓達到或超過6.0V時，便觸發報警器(圖中未畫出)報警。若要求開始報警時環境溫度為50℃，則圖中