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1、第5章 传感器及其应用 自我校对物理化学生物光敏热敏力电电容式力红外线电容传感器工作原理、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)
2、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51为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，
3、且对温度很敏感)的IU关系曲线图图51(1)为了通过测量得到图所示IU关系的完整曲线，在图52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0100 )图52(2)在如图53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R1250 .由热敏电阻的IU关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为_V；电阻R2的阻值为_.图53【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I70 mA，R1250 .设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的
4、电流为I1，则II1I2，故I2II1(70103)mA34 mA.由图象查得34 mA对应的电压为5.0 V，R2两端电压U29 V5.0 V4.0 V，所以R2 117.6 .【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)5.0117.6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
5、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
6、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如图54所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；为毫安表，量程为6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9 ；S为开关已知RT在95 时的阻值为150 ，在20 时的阻值约为550 .现要求在降温过程中测量在95 20 之间的多个温度下RT的阻值图54(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图(2)完成下列实验步骤中的填空：依照实验原理电路图连线调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95.将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全闭合
7、开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录_将RT的温度降为T1(20 T195 )；调节电阻箱，使得电流表的读数_，记录_温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1_.逐步降低T1的数值，直至20 为止；在每一温度下重复步骤.【解析】(1)由于本实验只有一只可以测量和观察的直流电流表，所以应该用“替代法”，考虑到用电流表观察而保证电路中电阻不变，因此将热敏电阻、电阻箱和电流表串联形成测量电路，如图所示而且热敏电阻RT在95 和20 时的阻值是已知的，所以热敏电阻的初始温度为95 ，则电流表示数不变时，电阻箱和热敏电阻的阻值应保持150 和电阻箱的初值之和不变；如果热敏电阻的初始温度为20 C，则
8、电流表示数不变时，电阻箱和热敏电阻的阻值应保持550 和电阻箱的初值之和不变因此可以测量任意温度下的电阻(2)依照实验原理电路图连线调节控温容器M内的温度，使得RT温度为95 .将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录电阻箱的读数R0将RT的温度降为T1(20 T195 )；调节电阻箱，使得电流表的读数仍为I0，记录电阻箱的读数R1温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1R0R1150_逐步降低T1的数值，直至20 为止；在每一温度下重复步骤.【答案】(1)实验原理电路图见解析(2)电阻箱的读数R0仍为I0 电阻箱的读数R1 R0R1150 传感器应用
9、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.(多选)(2016郑州一中检测)美国科学家willard S.Boyle与George E.Smith因电荷耦合器件 (CCD) 的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖CCD是将光学量转变成电学量的传感器下列器件可作为传感器的有()A发光二极管B热敏电阻C霍尔元件D干电池【解析】传感器是能够把一些非电学量转换成电学量的元件发光二极管是通电能够发光的元件，A错误；热敏电阻是温度变化引起电阻变化的元件
10、，B正确；霍尔元件是磁场能够引起电压变化的元件，C正确；干电池是把化学能转化成电能的器件，D错误【答案】BC2(2013江苏高考)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55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55ARM变大，且R越大，U增大越明显BRM变大，且R越小，U增大越明显CRM变小，且R越大，U增大越明显DRM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UI总RS变小，故选项A、B错误；当RM变小时，回路的总
11、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UI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】C3(多选)(2016青岛二中检测)某同学设计的家庭电路保护装置如图56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56A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
12、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】ABD4(2016北京高考)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中图57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57
13、【解析】由Rt图像可知，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5(2013福建高考)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58甲所示电路，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 k；电压表V2量程选用15 V，内阻约为30 k；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58(2)用遮光罩罩住硅光
14、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.某次测量时，电压表V1示数如图丙所示，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)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IxUx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IxUx图线123456789U1/V0.000.000.060.120.240.420.721.141.74U2/V0.01.02.13.14.25.46.78.19.7Ux/V0.01.02.03.04.05.06.07.0
