高考物理总复习知识讲解 传感器及其应用

物理总复习：传感器及其应用 编稿：李传安 审稿：张金虎【考纲要求】1、知道常用的几种传感器 2、理解常用的几种传感器的基本工作原理 3、知道求解传感器问题的思路 4、知道传感器的一般应用模式 5、知道简单的逻辑电路【知识网络】【考点梳理】考点一、传感器要点诠释：1、传感器 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，把非电学量转换成电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。2、制作传感器的敏感元件（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，导电性变好。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。（2）热敏电阻和金属热电阻热敏电阻：指用半导体材料制成，其阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图为某热敏电阻的阻值温度特性曲线。金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增加，这样的电阻也可以制作温度传感器。热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换成电学量（电阻），但热敏电阻的灵敏度较好。热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，对正温度系数的热敏电阻（PTC）其阻值随温度的升高而增大，而负温度系数的热敏电阻其阻值随温度的升高而减小。（3）电容式位移传感器能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。（4）霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量，产生的电压称为霍尔电压，式中的d为薄片的厚度，k为霍尔系数，与薄片的材料有关。3、关于传感器的分类序号分类方法传感器的种类说明1按输入量分类位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等传感器以被测物理量命名2按工作原理分类应变式、电容式、电感式、热电式、电压式传感器以工作原理命名3按物理现象分类结构型传感器传感器依赖其结构参数的变化实现信息转换特性型传感器传感器依赖其敏感元件物理特征的变化实现信息转换4按能量关系分类能量转换型传感器传感器直接将被测量的能量转换为输出的能量能量控制型传感器由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量5按输出信号分类模拟式传感器输出为模拟量数字式传感器输出为数字量4、如何求解传感器问题传感器问题具有涉及的知识点多、综合性强、能力要求高等特点，而传感器的形式又多种多样，有的原理甚至较难理解。但不管怎样，搞清传感器的工作原理及过程是求解问题的关键。因此，求解时必须结合题目提供的所有信息，认真分析传感器所在的电路结构，这样才能对题目的要求作出解释或回答。另外，平时多应注意实际生产、生活中的一些实例，多一些思考，多动一下手，多查一下资料，开阔自己的视野，丰富自己的经验，做到学以致用、活学活用的目的。5、传感器的一般应用模式传感器是将所感受到的物理量（如力、热、光等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件。其工作过程是：通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量，一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如图所示。例如，许多食品加工设备（如电烤箱）都要控制在一定的温度范围内工作，可使食品味道鲜美且不失养分，如图所示的控制电路，开始工作时，温度较低，阻值较小，继电器吸合，A与C接通，电热丝L通电加热，达到一定温度时，电阻增大，继电器放开，A与B接通，灯亮铃响，停止加热，温度降低到某一值时，继电器又吸合，A与C接通，又开始加热如此反复，维持在一定的温度范围（）内。空调、电冰箱就是利用这一原理维持在一定温度范围内的。再例如，如图所示是利用光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是接收光信号的仪器，B中的主要元件是光电传感器光敏电阻。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由A射向B的信号时，光敏电阻的电阻变大，供给信号处理系统的电压变高。这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理，就会自动将其转化为相应的数字，实现自动计数的功能。考点二、传感器的应用要点诠释：1、力传感器的应用电子秤（1）力传感器我们经常见到的电子秤所使用的测力装置是力传感器，常用的一种力传感器是由金属架和应变片组成的，应变片是一种敏感元件，现在大多用半导体材料制成。（2）工作原理如图所示，弹性钢制成的梁形元件上、下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施加F，则梁发生弯曲，上表面拉伸而使电阻增大，下表面压缩而使电阻减小，如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上、下应变片两端产生了一个电压差，传感器把这个电压差值输出，外力越大，输出的电压差值也就越大。2、声传感器的应用话筒（1）话筒话筒是一种常用的声传感器，类型虽多，但其作用都是将声信号转换为电信号。常见类型有：动圈式话筒、电容式话筒、驻极体话筒。（2）电容式话筒的工作原理如图所示，金属膜片M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流。于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。（3）动圈式话筒的工作原理如图所示是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定。这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。 3、温度传感器的应用温度传感器一般由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻制成。它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。（1）电熨斗如图所示，内部装有双金属片温度传感器，双金属片的上部金属膨胀系数大，下部金属膨胀系数小，则双金属片受热向下弯曲，使触点分离，从而切断电源停止加热，温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。（2）电饭锅主要元件是感温铁氧体，常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，接通电源，但是当上升到约103的“居里温度”时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引了，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源从而停止加热。（3）测温仪测温仪可以把温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来，由于电信号可以由测温地点传输到其他地方，所以应用温度传感器可以远距离读取温度的数值。测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶、红外线、敏感元件等。4、光传感器的应用（1）机械式鼠标鼠标器移动时，滚球运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。（2）火灾报警器如图为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器，其工作原理是：带孔的罩子内装有发光二极管LED，光电三极管和不透明的挡板，平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，烟雾进入罩内后，对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。考点三、简单的逻辑电路一、简单的逻辑电路要点诠释：1“与”门电路（1）“与”逻辑关系：有两个（或多个）控制条件作用会产生一个结果，当两个（或多个）条件都满足时，结果才会成立，这种关系称为“与”逻辑关系。（2）“与”门电路：满足“与”逻辑关系的电路称为“与”门电路。（3）“与”门的逻辑符号：见图。（4）“与”门反映的逻辑关系：Y=AB。“与”门的真值表可由此关系填写。（5）“与”门电路的特点：当输入都为“0”时，输出为“0”；当一个输入为“0”，另一个输入为“1”时，输出为“0”；当输入都为“1”时，输出为“1”。2“或”门电路（1）“或”逻辑关系：在几个控制条件中，只要有一个条件得到满足，结果就会发生这种关系称为“或”逻辑关系。（2）“或”门电路：满足“或”逻辑关系的电路称为“或”门电路。（3）“或”门的逻辑符号：见图。（4）“或”门反映的逻辑关系：Y=AB。“或”门的真值表可由此关系填写。（5）“或”门电路的特点：当输入都为“0”时，输出为“0”；当一个输入为“0”，另一个输入为“1”时，输出为“1”；当输入都为“1”时，输出为“1”。3“非”门电路（1）“非”逻辑关系：输出状态和输入状态成相反的逻辑关系，叫做“非”逻辑。（2）“非”门电路：满足“非”逻辑关系的电路称为“非”门电路。（3）“非”门的逻辑符号：见图。 （4）“非”门反映的逻辑关系：，表示Y与A状态相反“非”门真值表可由此关系填写。（5）“非”门电路的特点：当输入为“0”时，输出为“1”；当输入为“1”时，输出为“0”；“非”门的逻辑符号的“0”表示反相（又叫反相圈）。二、斯密特触发器如图所示，这种“非”门由于性能特别，称为斯密特触发器当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值（1.6 V）时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平（0.25 V），而当输入端A的电压下降到另一个值（0.8 V）的时候，Y会从低电平跳到高电平（3.4 V）。斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，而这正是进行光控所需要的。（1）斯密特触发器是一种“非”门，当输入端电压上升（下降）到某值时，输出端电压会从高电平跳到低电平（低电平跳到高电平）。（2）斯密特触发器一般应用于光控开关或温度报警器，电路中有一光敏电阻或热敏电阻用于改变输入端电压。三、对逻辑关系的理解1对“与”逻辑关系的理解（1）生活中的“与”逻辑关系：某单位财务室为了安全，规定不准一个人（甲或乙）单独进入。为此，在门上安装了两把锁。只有甲与乙两个人同时打开各自的锁时，门才打开。它体现了“与”逻辑关系。（2）“与”逻辑电路 （3）“与”门的真值表 2对“或”逻辑关系的理解（1）生活中的“或”逻辑关系：某寝室的4名同学每人都配了一把门钥匙，各人都可以用自己的钥匙单独开门，它体现了“或”逻辑关系。（2）“或”逻辑电路 （3）“或”门的真值表 3对“非”逻辑关系的理解（1）“非”逻辑电路 （2）“非”门的真值表 四、逻辑电路与传感器的应用举例1光控开关如图是光控电路的工作原理示意图。白天，光照强度较大，光敏电阻电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通，当天色暗到一定程度时，的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值 （1.6 V)，输出端 Y 突然从高电平跳到低电平 （0.25 V），则发光二极管LED 导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。 要想在天更暗时路灯才会亮，应该把的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V），就需要的阻值达到更大，即天色更暗。2温度报警器电路原理图如图所示，常温下，调整的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声。当温度升高时热敏电阻阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声。的阻值不同，则报警温度不同。 要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小的阻值，阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。【典型例题】类型一、敏感元件的特性金属电阻的阻值随温度的升高而增大，也叫正温度系数热敏电阻；半导体材料做成的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，也叫负温度系数热敏电阻。光敏电阻的阻值随光强的增大而减小。例1、如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（ ） AR1两端的电压增大 B电流表的示数增大C小灯泡的亮度变强 D小灯泡的亮度变弱 【思路点拨】负温度系数的热敏电阻的特性：阻值随温度的升高而减小。【答案】C【解析】R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路。当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数变小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错。【总结升华】若把R2换为正温度系数的热敏电阻，则选项正确的是（ABD）。举一反三【变式】如图所示，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管（电流越大，发光越强），且R与D距离不变，下列说法中正确的是（ ）A当滑动触头向左移动时，L消耗的功率增大 B当滑动触头向左移动时，L消耗的功率可能不变C当滑动触头向右移动时，L消耗的功率可能不变 D无论怎样移动滑动触头，L消耗的功率不变 【答案】A【解析】电源电压恒定，也就是说，并联电路两端的电压恒定，当滑动触头向左移动时，发光二极管发光变强，光敏电阻的电阻变小，所以电流变大，则L的功率变大。类型二、逻辑电路掌握门电路的逻辑关系，要立足于门电路的类比实例，使抽象的逻辑关系建立在客观事实上，反之逻辑关系又是通过真值表判断电路种类的依据。例2、电动机的自动控制电路如图所示，其中为热敏电阻，为光敏电阻，当温度升高时，的阻值远小于；当光照射时，其阻值远小于，为使电动机在温度升高或受到光照时能自动启动，电路中的虚线框内应选_门逻辑电路；若要提高光照时电动机启动的灵敏度，可以_的阻值（填“增大”或“减小”）。【思路点拨】为使电动机在温度升高或受到光照时能自动启动，知只要有一个条件满足，事件就能发生，可知是“或”门；若要提高光照时电动机启动的灵敏度，即光照还没足够强时，输出端就能得到高电势。【答案】或门；增大。【解析】为使电动机在温度升高或受到光照时能自动启动，即热敏电阻或光敏电阻的电阻值小时，输入为1，输出为1，所以是“或门”。因为若要提高光照时电动机启动的灵敏度，需要在光照较小即光敏电阻较大时输入为1，输出为1，所以要增大。【总结升华】解决本题的关键掌握“或”门的特点，即只要有一个条件满足，事件就能发生【变式】右表是某逻辑电路的真值表，该电路是（ ）【答案】D【解析】图A是或门，运算法则是Y=AB，所以排除。图B是与门，运算法则是Y=AB，验证又被排除。图C是或非门，真值表第三行不符，而正确的只有图D。类型三、热电传感器的应用温度传感器一般由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻制成。它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。例3、如图是电饭煲的电路图，是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（103）时，会自动断开是一个自动控温开关，当温度低于70时，会自动闭合；温度高于80时，会自动断开。红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯，分流电阻500，加热电阻丝50，两灯电阻不计。（1）分析电饭煲的工作原理。 （2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。 【思路点拨】电饭煲的原理是利用其内部感温磁体在居里温度（103）前后磁性的有无来控制开关的闭合。两种状态下消耗的功率之比可根据串、并联的特点结合功率计算公式求得。【解析】（1）电饭煲盛上食物后，接上电源，自动闭合，同时手动闭合，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态；加热到80时，自动断开，仍闭合；水烧开后，温度升高到103时，开关自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态。由于散热，待温度降至70时，自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80时，又自动断开，再次处于保温状态。（2）加热电饭煲消耗的电功率，保温时电饭煲消耗的电功率，两式中 从而有 【总结升华】如果不闭合开关，能将饭煮熟吗？（如果不闭合开关，开始总是闭合的，被短路，功率为，当温度上升到80时，自动断开，功率降为，温度降低到70，自动闭合，温度只能在7080之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。）举一反三【变式】(2015 长春模拟) 温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的如图甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E9.0V，内电阻不计；G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其阻值随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I12mA；当电流表的示数I23.6mA时，热敏电阻的温度是()A60B80C100D120【答案】D【解析】当t20时，由图可知R4k，根据闭合电路欧姆定律EI(RgR)，解得Rg0.5k； 当I23.6mA时，R2k，对应的热敏电阻温度为120.类型四、力电传感器的应用例4、(2015 江苏省南通市如皋市二模) 如图所示是一个利用压力差来测量加速度的实验装置在一个具有坚硬外壳的长方形盒内的上、下底板上各装配一个压力传感器A、B，其间用一支轻弹簧将一个物块顶在传感器A上，弹簧的下端抵在传感器B上整个装置处于静止状态时，A、B传感器示数分别为30N、50N从t=0时刻起实验装置沿竖直方向开始运动，两个传感器送出的压力数据在显示器上开始跳动，现将这些数据记录在表中（g=10m/s2）根据表格中的数据通过必要的计算回答下列问题：（1）这个装置在竖直方向做的运动是匀加速运动吗？是向上运动还是向下运动？（2）被卡在弹簧和传感器A间的物块的质量m=？（3）1.4s末实验装置运动的瞬时加速度a=？【思路点拨】（1）对物体和弹簧系统受力分析，受重力和两个传感器的压力，根据牛顿第二定律列式分析即可；（2）由（1）问知物体重力，可得物体的质量；（3）1.4s末是，由表格得到上方传感器压力为6N，向下；下方传感器压力向上，为50N；根据牛顿第二定律列式求解加速度【答案】（1）这个装置在竖直方向做的运动不是匀加速运动；（2）被卡在弹簧和传感器A间的物块的质量m为2kg（3）1.4s末实验装置运动的瞬时加速度a为12m/s2【解析】（1）对物体和弹簧系统受力分析，受重力和两个传感器的压力；整个装置处于静止状态时，A、B传感器示数分别为30N、50N，故根据平衡条件可得物体的重力为5030=20N；由于两个传感器的压力不断变化，故物体的合力不断变化，加速度不断变化，故不是匀加速运动；（2）由第（1）问知物体重力为20N，故质量为2kg；（3）1.4s末是，由表格得到上方传感器压力为6N，向下；下方传感器压力向上，为50N；根据牛顿第二定律，有：F2F1mg=ma解得：【点评】物块与箱子具有相同的加速度，解决本题的关键对物块受力分析，根据牛顿第二定律进行求解。【考点】牛顿第二定律；力的合成与分解的运用牛顿运动定律综合专题举一反三【变式】杂技演员在进行“顶杆”表演时，用的是一根质量可忽略不计的长竹竿，质量为30kg的演员自杆顶由静止开始下滑，滑到杆底时速度正好为零。已知竹竿底部与下面顶杆人肩部之间有一传感器，传感器显示顶杆人肩部的受力情况如图所示，取g= 10。求：（1）杆上的人下滑过程中的最大速度；（2）竹竿的长度。【答案】（1）（2）6 m 。【解析】（1）以人为研究对象，人加速下滑过程中受重力mg和杆对人的作用力，由题图可知，人加速下滑过程中杆对人的作用力为180 N。由牛顿第二定律得，则， 1s末人的速度达到最大，则（2）加速下降时位移为：=2 m减速下降时，由动能定理得 代入数据解得，。类型五、光电（声电）传感器的应用例5、如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在的电路中的其他量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的（ ）A距离变化 B正对面积变化 C介质变化 D电压变化 【思路点拨】电容式话筒就是电容式传感器，是典型的声传感器。【答案】A【解析】电容式话筒中振动膜上的金属层和金属板构成的电容器相当于一个平行板电容器，当人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使两极板间的距离发生变化，从而导致电容器的电容发生变化，所以选A。【总结升华】理解“振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极”的意思，就知道是电容传感器。举一反三【变式1】如图所示，唱卡拉OK用的话筒内有传感器。其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在金属膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。下列说法正确的是（ ） A该传感器是根据电流的磁效应工作的 B该传感器是根据电磁感应原理工作的C膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变 D膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势 【答案】B【解析】动圈式话筒是利用电磁感应现象制成的。当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫音圈）随着一起振动。音圈在永磁体的磁场中振动，产生感应电流，感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定，这就将声音信号转换成电信号，这个电信号经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。光电传感器是指将光信号转换为电信号的一类传感器，一般以光敏电阻为主要元件，因为光敏电阻电阻值随光照加强而减小，将光敏电阻连接到电路中时，光照改变就会引起电路中其它电学量的改变，从而将光信号转换为电信号。【变式2】如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A是发光仪器，B是传送带上物品，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（ ）AR1R2信号处理系统图3A.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记数一次D.信号处理系统每获得一次高电压就记数一次【答案】AD【解析】光敏电阻自动计数器原理图如上，当传送带上没有物品挡住由A射出的光信号时，光敏电阻阻值变小，由分压规律知供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由A射出的光信号时，光敏电阻的阻值变大，供给信号系统的电压变高并记数一次。这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理，就会自动将其转化为相应的数字，实现自动计数的功能。故上题应选A、D。类型六、结合传感器的综合试题例6、乙同学设计的“直线运动加速度测量仪”如图所示。质量为1.0kg的绝缘滑块B的两侧分别通过一轻弹簧与框架A连接，弹簧的劲度系数均为100N/m。滑块B还通过滑动头与长为12.00 cm的电阻CD相连，CD中任意一段的电阻都与其长度成正比。将框架A固定在被测物体上，使弹簧及电阻CD均与物体的运动方向平行。通过电路中指针式直流电压表的读数，可以得知加速度的大小。不计各种摩擦阻力。电