实验11传感器的简单使用教学案2015年高考物理一轮复习精品资料 15页

‎【2015考纲解读】‎ ‎1.能识别各类传感器 ‎2.了解传感器的工作原理 ‎【重点知识梳理】‎ 一、传感器的含义：‎ 传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。‎ 传感器一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。‎ 非电物理量 敏感元件 转换器件 转换电路 电学量 ‎→‎ ‎→‎ ‎→‎ ‎→‎ 常见的传感器有：光学传感器、热学传感器、加速度传感器、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。‎ 二、常见的传感器元件：‎ ‎（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。‎ ‎（2）金属热电阻金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器。它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。‎ ‎（3）热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度升高电阻减小，如图－1为某一热敏电阻－温度特性曲线。热敏电阻的灵敏度较好。与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。‎ ‎0‎ T R 图－1‎ ‎（4）电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。‎ ‎（5）霍尔元件能够把磁感强度这个磁学量转换为电压这个电学量 三、传感器的简单应用 ‎1、力电传感器 力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（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（温度传感器）‎ 热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的升高减小（金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大）的原理制成的, 它能用把温度这个热学量转换为电压这个电学量。如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等。‎ ‎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。‎ 光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小的。光敏电阻能够把光强度这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。‎ 自动冲水机、路灯的控制、鼠标器、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、磁电传感器——霍尔元件的应用 霍尔元件能够把磁感强度(磁学量)转换为电压(电学量)。‎ 霍尔元件：如图－2所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极C、D、E、F，就制成为一个霍尔元件。霍尔电压：其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒定，则电压UH的变化就与B成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。‎ 霍尔效应的原理：外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向的电场；横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压.‎ 设图中CD方向长度为L2，则：‎ 根据电流的微观解释I＝nqSv，‎ 整理后，得：令，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以有：‎ ‎【高频考点突破】‎ 考点一、电阻传感器的应用 ‎【例1】热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整．已知常温下待测热敏电阻的阻值约4 Ω～5 Ω.将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0～20 Ω)、开关、导线若干．‎ ‎(1)在图(a)中画出实验电路图．‎ ‎(2)根据电路图，在图(b)所示的实物图上连线．‎ ‎(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤．‎ ‎ 考点二、力传感器的应用 ‎【例2】某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输 出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)．如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U.现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，电键及导线若干，待测物体(可置于力电转换器的受压面上)．‎ ‎(1)设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，画出完整的测量电路图；‎ ‎(2)简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m.‎ 换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大”，这就暗示我们滑动变阻器必须使用分压式，有了设计电路才可以进行测量步骤．‎ 考点三、实验创新设计 ‎【例3】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，请在下图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．‎ ‎(2)如图所示，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．‎ ‎(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 k Ω，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．‎ ‎【当堂巩固】‎ ‎1．许多楼道照明灯具有这样的功能：天黑时，出现声音它就开启；而白天，即使有声音它也没有反应，它的控制电路中接入了哪些传感器()‎ A．温度传感器　　　　　　　 B．光传感器 C．声音传感器 D．热传感器 答案：BC ‎2．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程，下列属于这类传感器的是()‎ A．红外线报警装置 B．走廊照明灯的声控开关 C．自动洗衣机中的压力传感器 D．电饭煲中控制加热和保温的温控器 解析：选A.遥控器是利用红外线传输信号的，故只有A选项正确．‎ ‎3．如图10－3－11所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明() ‎ 图10－3－11‎ A．热敏电阻在温度越高时，电阻越大 B．热敏电阻在温度越高时，电阻越小 C．半导体材料温度升高时，导电性能变差 D．半导体材料温度升高时，导电性能变好 解析：选BD.由于电流增大，说明热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，即导电性能变好，故B、D正确．‎ ‎4．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 ‎5如图10－3－12所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，下列说法中正确的是() ‎ 图10－3－12‎ A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大 B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小 C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变 D．无论怎样移动触头P，L消耗的功率都不变 ‎6.如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化为()‎ A．h增大　　　　　　　B．h减小 C．h不变 D．无法确定 ‎7.如图所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明()‎ A．热敏电阻在温度越高时，电阻越大 B．热敏电阻在温度越高时，电阻越小 C．半导体材料温度升高时，导电性能变差 D．半导体材料温度升高时，导电性能变好 ‎8．一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ，当供电电压等于24 V时能正常工作，否则不产生臭氧．现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在有光照时为100 Ω、黑暗时为1 000 Ω、允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V、内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0 Ω～100Ω、允许通过的最大电流为‎0.4 A；一个开关S和导线若干．‎ 臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图所示．‎ 设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B(电路图画在方框内)．‎ ‎9.如图所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内：Ⓐ为毫安表，量程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 Ω；S为开关．已知RT在‎95 ℃‎时的阻值为150 Ω，在‎20 ℃‎时的阻值约为550 Ω.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．‎ ‎ (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：‎ ‎①依照实验原理电路图连线．‎ ‎②调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为‎95 ℃‎.‎ ‎③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全．‎ ‎④闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录___________．‎ ‎⑤将RT的温度降为T1(‎20 ℃‎＜T1＜‎95 ℃‎)；调节电阻箱，使得电流表的读数________，记录________．‎ ‎⑥温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1＝________.‎ ‎⑦逐步降低T1的数值，直至‎20 ℃‎为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.‎ ‎10．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的．如图甲所示，电源的电动势E＝9.0 V，内电阻不计；G为灵敏电流计，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙所示．闭合开关S，当R的温度等于‎20 ℃‎时，电流表示数I1＝2 mA时，当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是________℃.‎ 答案：120‎ ‎11．如图所示，图甲为热敏电阻的R－t图象，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 Ω.当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0‎ ‎ V，内阻可以不计．图乙中的“电源”是恒温箱加热器的电源．问：‎ ‎(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(填“A、B端”或“C、D端”)．‎ ‎(2)如果要使恒温箱内的温度保持在‎50 ℃‎，可变电阻R′的阻值应调节为________Ω.‎ ‎12．一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ，当供电电压等于24 V时能正常工作，否则不产生臭氧．现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置，要求它在有光照时能产生臭氧，在黑暗时不产生臭氧，拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在有光照时为100 Ω、黑暗时为1000 Ω、允许通过的最大电流为3 mA；电源E的电压为36 V、内阻不计；另有一个滑动变阻器R2，阻值为0～100 Ω、允许通过的最大电流为0.4 A；一个开关S和导线若干．‎ 图10－3－13‎ 臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图10－3－13所示．‎ 设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B(电路图画在方框内)．‎ ‎13.传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用．有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图10－3－14中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)，显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成．压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示．设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V，g取10 m/s2.请回答：‎ 图10－3－14‎ 压力F/N ‎0‎ ‎250‎ ‎500‎ ‎750‎ ‎1000‎ ‎1250‎ ‎1500‎ ‎…‎ 电阻R/Ω ‎300‎ ‎270‎ ‎240‎ ‎210‎ ‎180‎ ‎150‎ ‎120‎ ‎…‎ ‎(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘________A处．‎ ‎(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，这个人的体重是________ kg.‎ 解析：(1)由图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R＝300 Ω，此时A中电流I＝＝ A＝1.6×10－2 A.‎ ‎(2)当电流I＝20 mA＝20×10－3 A时，压力传感器的电阻R＝＝ Ω＝240 Ω ‎，对应表格中，这个人的质量为50 kg.‎ 答案：(1)1.6×10－2(2)50‎ ‎14．如图10－3－15，一热敏电阻RT放在控温容器M内；A为毫安表，量程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 Ω；S为开关．已知RT在95 ℃时的阻值为150 Ω，在20 ℃时的阻值约为550 Ω.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10－3－15‎ ‎(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：‎ ‎①依照实验原理电路图连线．‎ ‎②调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95 ℃.‎ ‎③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全．‎ ‎④闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录________．‎ ‎⑤将RT的温度降为T1(20 ℃