第13章　第73讲　传感器的组成和工作原理　实验十六　利用传感器制作简单的自动控制装置 课件---2027高考一轮总复习物理

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第73讲　传感器的组成和工作原理　实验十六　利用传感器制作简单的自动控制装置
提能训练　练案[73]
1．传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等______量，或转换为电路的_______。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、______、处理和______。传感器应用的一般模式如图所示：
2．六种敏感元件的作用和特点
易 错 辨 析1．传感器担负着信息采集的任务，它常常是将电学量转化为力学量。(　 　)2．传感器可以把非电学量转换为电学量。(　 　)3．干簧管是一种能够感知磁场的传感器，当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，起到开关的作用。(　 　)4．半导体制成的热敏元件，温度升高时电阻大幅度变化。(　 　)5．电子秤中应变片的电阻随形变大小而变化。(　 　)
自 主 验 收1．(传感器的工作原理)某热敏电阻RT的阻值随温度变化的图像如图1所示，图2是由热敏电阻RT作为传感器制作的温度自动报警器电路图。则(　　)A．滑片P不动，温度越低，通电螺线管中的磁场磁感应强度越强B．为了使温度过高时报警器响，单刀双掷开关c应接在a端C．若达到报警温度没有报警，应将滑动变阻器滑片P向左端移动D．若要使启动报警的温度提高，应将滑动变阻器滑片P向右端移动
[答案]　B[解析]　滑片P不动，则滑动变阻器接入电路的阻值不变，温度越低，RT的阻值越大，则螺线管所在回路中的总电阻越大，电流越小，通电螺线管中的磁场磁感应强度越弱，故A错误；温度过高时，RT的阻值减小，螺线管所在回路中的总电阻减小，电流增大，此时衔铁会被吸引到a端，则若要使报警器响，单刀双掷开关c应接在a端，故B正确；若达到报警温度没有报警，应使螺线管中的电流增大，使螺线管把衔铁吸引到a端，故应减小滑动变阻器接入电路的阻值，即将滑动变阻器滑片P向右端移动，故C错误；若要使启动报警的温度提高，即达到原报警温度时报警器不报警，则应使螺线管中的电流减小，故应使滑动变阻器接入电路的阻值增大，即应将滑动变阻器滑片P向左端移动，故D错误。故选B。
2．(几种敏感元件的特点)(多选)关于传感器，下列说法正确的是(　　)
A．图甲中的干簧管是将磁信号转化为电路通断的传感器B．图乙为电感式传感器，物体1带动铁芯2向右移动时，线圈自感系数变大C．图丙为利用霍尔元件测量微小位移原理图，霍尔元件左右移动时，有霍尔电压输出D．图丁为应变片测力原理图，在梁的自由端施加向下的力F时，上表面拉伸应变片电阻变小[答案]　AC
一、门窗防盗报警装置1．实验目的(1)了解门窗防盗报警装置的工作原理。(2)练习使用传感器自动控制设备。2．示意图及电路图
3．实验器材和装置(1)干簧管SA：作为_________，感知磁场是否存在。(2)继电器(虚线框部分)：作为执行装置。(3)发光二极管LED：作为电路正常工作提示。(4)电阻R：作为发光二极管的限流电阻，起______作用。(5)蜂鸣器H：作为__________。
4．电路工作原理闭合电路开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被____________而接通继电器线圈K，使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁______，继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起_________和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。
5．实验操作(1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。(2)确定各元件可以正常工作后，按照电路图连接电路。(3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。
　图甲是一种家用门窗防盗报警装置，图乙是干簧管元件。安装时，在门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管SA，并将干簧管接入报警电路(蜂鸣报警器)，睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置，当门紧闭时，蜂鸣报警器不响，当门被打开时，蜂鸣报警器发出声音警报，下列有关说法正确的是(　　)A．当门关闭时，干簧管两簧片接通B．干簧管可以由铜或银等导电性能更好的材料制成C．如将门上镶嵌磁体的N、S极对调后，该报警器不能正常工作D．本装置是利用电磁感应原理控制电路
[答案]　A[解析]　干簧管为磁控开关，当门关闭时有磁体，干簧管两簧片接通，故A正确，D错误；铜或银不是磁性材料，则干簧管不可以由铜或银等导电性能更好的材料制成，故B错误；将门上镶嵌磁体的N、S极对调后，不影响磁体吸引干簧管两簧片，该报警器能正常工作，故C错误。
二、光控开关1．实验目的(1)了解光控开关电路及控制原理。(2)会组装光控开关。2．电路如图所示
3．工作原理当环境光比较____时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。当环境光比较____时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。4．实验器材发光二极管LED、晶体三极管VT、可调电阻R1、限流电阻R2、光敏电阻RG、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸、小灯泡L。
5．实验步骤(1)按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源。(2)让______电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻____使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。(3)遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。(4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
6．注意事项(1)安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。(2)光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接。(3)如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。
　光敏电阻的阻值随光照强弱的变化而变化。光控路灯可以根据光照的变化自动开启或关闭。如图1所示是一种光控开关电路。图中用发光二极管LED模拟“路灯”，RG为光敏电阻、R2为发光二极管的限流电阻、VT为三极管。可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路。当三极管VT的b、e间电压达到一定临界值后，使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管VT到达电源负极的回路被导通，二极管发光。改变可变电阻R1，可控制电路根据环境的光照强弱点亮 “路灯”。
(1)图2为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线，图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别对应光敏电阻受到的光照强度由弱到强。由图像可知，光敏电阻接入电路中的阻值随其表面受到的光照强度的增强而________(选填“增大”或“减小”)。(2)在图1的电路中，若在天更暗时才点亮“路灯”，可将可调电阻R1的阻值调得更________(选填“大”或“小”)些。[答案]　(1)减小　(2)大
[解析]　(1)I－U图像的斜率表示电阻的倒数，由图2可知图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的斜率逐渐变大，所以光敏电阻接入电路中的阻值随其表面受到的光照强度的增强而减小。(2)光敏电阻接入电路中的阻值随其表面受到的光照强度的增强而减小，在天较暗时光敏电阻的阻值较大，三极管VT的b、e间电压表示光敏电阻两端的电压，光敏电阻的电阻增大到一定程度时三极管才导通，二极管发光；若在天更暗时才点亮“路灯”，则需要可调电阻R1的阻值调得更大些。
　某兴趣小组为了研究一光敏电阻RG的阻值随光的照度(表示光的强弱，单位为“lx”)变化的规律，进行了下列实验。
(1)为了精确测量一定照度下此光敏电阻的阻值，按图甲连接好电路进行测量，请把下列实验步骤补充完整。①闭合开关S1前，应将滑动变阻器RP的滑片滑到____(填“a”或“b”)端；②用一定照度的光源照射光敏电阻，开关S2合向1，调节滑动变阻器RP，记录电流表的示数I1，断开开关S1；③保持滑动变阻器RP的阻值不变，将开关S2由“1”拨到“2”，闭合开关S1，调节电阻箱R0的阻值，使电流表的示数仍为I1，记录电阻箱R0的阻值为R01，断开开关S1；④由此测得在该照度条件下，光敏电阻的阻值RG＝________。
(2)用上述方法，该小组继续测得多组不同照度下该光敏电阻的阻值，并描绘出其阻值随照度变化的曲线，如图乙所示。小组利用该光敏电阻RG、直流电源E(电动势为3 V，内阻不计)、定值电阻(R1＝15 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ，限选其中之一)、开关S及导线若干，设计一自动控制照明电路(天暗后启动照明)，如图丙所示，当1、2两端所加电压等于或大于2 V时，控制开关将自动启动照明系统，电路中1、2两端应接在________(填“RG”或“R”)两端；若要求照度降低至0.6 lx时启动照明系统，定值电阻R应选用________(填“R1”“R2”或“R3”)。[答案]　(1)b　R01　(2)RG　R1
[解析]　(1)闭合开关S1前，应将滑动变阻器R的滑片滑到b端，滑动变阻器的有效电阻最大，开始接通电路时的电流最小，从而起到安全保护电路的作用；
(2)由图乙可知，光敏电阻RG的阻值随照度的降低而增大，光敏电阻RG和定值电阻是串联关系，光敏电阻阻值越大分得的电压越多，为使当1、2两端所加电压等于或大于2 V时，控制开关将自动启动照明系统，电路中1、2两端应接在RG两端；由图乙可知，照度0.6 lx时，光敏电阻的阻值RG＝30 kΩ
[答案]　(1)非线性　(2)a　(3)130.0　(4)210.0[解析]　(1)根据图1可知热敏电阻的阻值随温度的变化关系是非线性的。(2)根据图1可知温度升高，热敏电阻的阻值变小，根据欧姆定律可知流过电磁铁线圈的电流变大，衔铁与下固定触头b接触，此时加热电阻丝电路部分断开连接，停止加热，可知图2中加热电阻丝的c端应该与触头a相连接。(3)由图3可知电阻箱接入电路的阻值为100×1 Ω＋10×3 Ω＝130.0 Ω。
(4)根据(3)可知，当温度为50 ℃时，热敏电阻的阻值为180 Ω，电阻箱接入的电阻为130 Ω，当温度为100 ℃时，热敏电阻的阻值为100 Ω，要使得电流值I0不变，则在电流为I0时，控制电路的总电阻不变，则此时电阻箱的电阻为180 Ω＋130.0 Ω－100 Ω＝210.0 Ω。
基础巩固练1．以下关于传感器的说法错误的是(　　)
A．图a装置将声音信号转化为电信号B．图b为电熨斗的构造示意图，熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，此时应降低升降螺钉的高度C．图c为加速度计示意图，当向右减速时，P点电势高于Q点电势D．图d为应变片测力原理示意图。在梁的自由端施加向下的力F，则梁发生弯曲，上表面应变片电阻变大，下表面应变片电阻变小[答案]　B
[解析]　图a为电容式话筒的组成结构示意图，振动膜片与固定电极间的距离发生变化，从而实现将声音信号转化为电信号，故A正确；熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，调温旋钮应该向上旋，使得双金属片弯曲较小时，触点就分离，这样保证了温度不会过高，故B错误；图c为加速度计示意图，当向右减速时，加速度向左，则滑片向右移动，此时P点电势高于Q点电势，故C正确；在梁的自由端施加向下的力F，上应变片长度变长，电阻变大，下应变片长度变短，电阻变小，故D正确。本题选择错误选项，故选B。
2．传感器的应用领域极其广泛，大到宇宙飞船，小到家用电器都有它的身影。干簧管是传感器常用的一种磁敏元件，如图所示为利用干簧管制作的简单控制装置，滑动变阻器置于如图所示位置时，闭合开关后灯泡不发光。下列说法正确的是(　　)A．温度升高，干簧管内簧片膨胀并相互接触，干簧管接通B．该电路中干簧管工作时利用了电流的磁效应C．干簧管将电信号转化为了光信号D．将滑动变阻器滑片向左移动，灯泡可能发光
[答案]　B[解析]　干簧管在有磁场时，铁合金簧片被磁化，两个簧片相互吸引，干簧管处于“接通”状态；干簧管是能感知磁场的元件，温度变化不能使干簧管接通，故A错误；该电路中干簧管工作时利用了电流的磁效应，故B正确；干簧管将磁信号转化为了电信号，故C错误；将滑动变阻器滑片向左移动，滑动变阻器电阻变大，电路电流减小，绕在干簧管上的线圈磁性减弱，则干簧管不会导通，即灯泡不可能发光，故D错误。故选B。
3．(多选)利用磁铁和干簧管，设计一个门开报警装置：门的上沿嵌入一小块永磁体，门框内与永磁体相对的位置嵌入常开型干簧管(磁体靠近时才闭合)，并将干簧管接入报警电路。当门被打开时，指示灯亮；当门紧闭时，指示灯灭。下图中H为干簧管，L为指示灯，R为定值电阻。A、B图中矩形虚线框J为电磁继电器；C、D图中圆形实线框VT为三极管，具有断路和接通的开关作用(当be间的电压较小时，三极管ce处于阻断状态；当be间的电压足够大时，三极管将被导通有沿ce方向的电流)。其中符合题意的电路设计是(　　)
[答案]　BD[解析]　A图中，当打开门时，永磁体远离干簧管，干簧管断开，线圈中没有电流，线圈没有产生磁场，线圈对开关没有吸引力作用，开关在弹簧作用下同右侧接口连接，右侧电路断开，指示灯熄灭，不符合题意，故A错误；B图中，当打开门时，永磁体远离干簧管，干簧管断开，线圈中没有电流，线圈没有产生磁场，线圈对开关没有吸引力作用，开关在弹簧作用下同右侧接口连接，右侧电路闭合，指示灯亮，符合题意，故B正确；C图中，当门紧闭时，永磁体靠近干簧管，干簧管闭合，be间直接与电源连接，be间的电压足够大，此时三极管将被导通有沿ce方向的电流，指示灯亮，不符合题意，故C错误；D图中，当门紧闭时，永磁体靠近干簧管，干簧管闭合，be间被短路，be间的电压很小时，三极管ce处于阻断状态，指示灯熄灭，符合题意，故D正确。故选BD。
4．(2026·江浙皖发展共同体联考)如图为某温度报警器的电路图。蜂鸣器M两端的电压超过某一数值时会鸣响，热敏电阻Rt的阻值随着温度的升高而减小，R0为定值电阻，电源E的内阻不能忽略。某温度下蜂鸣器不响，温度升高时(　　)A．电压表的示数增大B．电源输出功率一定增大C．电源的总功率一定减小D．升高到某一温度，蜂鸣器可能会鸣响[答案]　D
[解析]　温度升高时，热敏电阻的阻值减小，干路电流增大，电压表示数U＝E－Ir减小，故A错误；内、外电阻相等时输出功率最大，由于不知道初始时外电阻与内阻的关系，无法判断输出功率如何变化，故B错误；干路电流增大，电源的总功率P＝EI增大，故C错误；当Rt减小时，R0两端的电压U0＝IR0增大，当其达到蜂鸣器的域值时，蜂鸣器就会鸣响，故D正确。
能力提升练5．(多选)如图是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况。以下说法正确的是(工作面是指较大的平面)(　　) A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化
6．(2025·江西卷·12题)热敏电阻的阻值随温度的变化而改变，通过建立温度与热敏电阻两端电压的关系，可制作一简易的温度传感器，进而实现温度测量。如图(a)所示，RT为热敏电阻，R0为匹配电阻，电源电动势为E(内阻不计)，数字电压表V(内阻视为无穷大)用于测量热敏电阻两端的电压Uut。
(1)由图(a)可得Uut的表达式为________。(2)已知某热敏电阻从20 ℃升温到100 ℃时，其阻值从10 kΩ单调减小到0.5 kΩ。为了合理配置R0的阻值，用电阻箱R1代替该热敏电阻RT进行实验。经数据处理得到不同R0值对应的Uut－R1关系图线，如图(b)所示，分析可知应选图线________对应的R0作为匹配电阻，可使Uut在更宽范围内对R1变化的响应更灵敏。(3)选定匹配电阻R0后，按图(a)连接电路，改变热敏电阻的温度T，测量其两端的电压Uut，并尝试用二次多项式进行数据拟合，得到温度T(℃)与Uut(V)的关系。
(4)用已标定的温度传感器进行实验，记录数据，如下表所示，其中T为测量温度，Tb为标准温度，ΔT＝T－Tb。表中绝对误差最大和最小的测量温度值T分别为________℃和________℃。除涉及元器件的精度和稳定性之外，分析该温度传感器测量误差的主要来源：________。
(2)由图(b)可知，图线乙在相同的R1变化区间，Uut变化范围更大，即图线乙对应的R0作为匹配电阻，可使Uut在更宽范围内对R1变化的响应更灵敏。
(4)结合表格数据分析，可知测量的绝对误差最大和最小对应的测量温度分别为38.0 ℃和70.2 ℃。误差的主要来源除去涉及元器件的精度和稳定性之外，可能是匹配电阻R0的阻值不太合适或选用二次多项式进行数据拟合不够精确。
7．为了节能环保，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)。(1)若在坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线，如图甲所示。由图甲可求出照度为1.2 lx时，光敏电阻的阻值为________kΩ。
(2)图乙所示是街道路灯自动控制模拟电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在________(选填“AB”或“BC”)之间。
(3)用多用电表“×10 Ω”挡，按正确步骤测量图乙中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图丙所示，则线圈的电阻为________Ω。已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时，电磁继电器的衔铁将被吸合，图中直流电源的电动势E＝6 V，内阻忽略不计，要求天色渐暗照度降低至1.2 lx时点亮路灯，滑动变阻器的阻值为________Ω；为使天色更暗时才点亮路灯，应适当地________(选填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻。
[答案]　(1)1.8　(2)AB　(3)160　1 040　减小[解析]　(1)从图像上可以看出当照度为1.2 lx时的电阻R＝1.8 kΩ。(2)当天亮时，光敏电阻的阻值变小，所以回路中电流增大，则衔铁被吸下来，此时触片和下方接触，此时路灯应该熄灭，说明路灯接在了AB上。
(3)根据电阻表的读数规则，电磁铁线圈的电阻R′＝16×10 Ω＝160 Ω
则滑动变阻器的阻值R滑＝R总－R′－R＝1 040 Ω为使天色更暗时才点亮路灯，天色更暗时光敏电阻更大，要保证回路中的电流2 mA不变，则应减小滑动变阻器的阻值。
8．某学习小组利用压敏电阻制作电子秤。已知压敏电阻阻值R随压力F变化的图像如图(a)所示，其中R0＝10 Ω，图像斜率k＝0.5 Ω/N。小组同学按图(b)所示电路制作了一个简易电子秤(秤盘质量不计)，电路中电源电动势E＝6.0 V，内阻r＝10 Ω，电流表量程为300 mA，内阻未知，g取10 m/s2。实验步骤如下：
步骤1：秤盘上不放重物时，闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表指针满偏；步骤2：秤盘上放置已知质量的重物，保持滑动变阻器接入电阻不变；读出此时毫安表示数I；步骤3：换用不同质量的重物，记录每一个质量值对应的电流值；步骤4：将电流表刻度盘改装为质量刻度盘。(1)改装后的质量刻度盘，其零刻度线在电流表________(填“零刻度”或“满刻度”)处，质量刻度盘的刻度线________(填“均匀”或“不均匀”)。
(2)当电流表半偏时，压敏电阻R＝________Ω。(结果保留2位有效数字)(3)若电流表示数为200 mA，则待测重物的质量m＝________kg。(结果保留2位有效数字)(4)若电源电动势变小，内阻变大，其他条件不变，用这台电子秤称重前，进行了步骤1操作，则测量结果较真实值_______(填“偏大”“偏小”或“不变”)。[答案]　(1)满刻度　不均匀　(2)30　(3)2.0　(4)偏大
由于R随压力的增大而增大，则电流随压力的增大而减小，所以重力最小时，电流最大，那么重力的零刻度线在电流表的满刻度处，即质量刻度盘的零刻度线在电流表的满刻度处；
(4)若电源电动势减小，内阻变大，进行了步骤1操作，当测量时，由于电源电动势减小，导致电流偏小，压敏电阻阻值偏大，测量结果偏大。
9．(2024·全国甲卷·10题)电阻型氧气传感器的阻值会随所处环境中的氧气含量发生变化。在保持流过传感器的电流(即工作电流)恒定的条件下，通过测量不同氧气含量下传感器两端的电压，建立电压与氧气含量之间的对应关系，这一过程称为定标。一同学用图(a)所示电路对他制作的一个氧气传感器定标。实验器材有：装在气室内的氧气传感器(工作电流1 mA)、毫安表(内阻可忽略)、电压表、电源、滑动变阻器、开关、导线若干、5个气瓶(氧气含量分别为1%、5%、10%、15%、20%)。
完成下列实验步骤并填空：
(1)将图(a)中的实验器材间的连线补充完整，使其能对传感器定标；(2)连接好实验器材，把氧气含量为1%的气瓶接到气体入口；(3)把滑动变阻器的滑片滑到_____端(填“a”或“b”)，闭合开关；(4)缓慢调整滑动变阻器的滑片位置，使毫安表的示数为1 mA，记录电压表的示数U；(5)断开开关，更换气瓶，重复步骤(3)和(4)；
(6)获得的氧气含量分别为1%、5%、10%和15%的数据已标在图(b)中；氧气含量为20%时电压表的示数如图(c)，该示数为________V。现测量一瓶待测氧气含量的气体，将气瓶接到气体入口，调整滑动变阻器滑片位置使毫安表的示数为1 mA，此时电压表的示数为1.50 V，则此瓶气体的氧气含量为________%(结果保留整数)。
[答案]　(1)见解析　(3)a　(6)1.40　17[解析]　(1)滑动变阻器以分压式接法接入电路，毫安表不计内阻，则毫安表选用内接法，实物图连线如图甲所示。
(3)为了保护电路，闭合开关时，气室两端电压应为0，故滑动变阻器的滑片应滑到a端。(6)由题图(c)可知电压表示数U＝1.40 V，将题图(b)中的点用平滑曲线连接，由题意可知毫安表的示数始终不变，由图乙可以看出，电压表示数为1.50 V时，氧气含量约为17%。