1、传感器 传感器的简单应用 P 3.一、传感器的含义 传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如位移、速度、力、温度、湿度、流量、声强、 温度、光、声、化学成分等等非电学量，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、处理和自动控制了。 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。 二、传感器的分类 1.力电传感器 2.热电传感器 3.光电传感器 4.声电传感器 5.电容式传感器 6.磁电传感器 7.超声波传感器 8.气敏传感器
2、等 P 4.三、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。 P5 .例 1、如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB 为一均匀的滑线电阻，阻值为 R，长 度为 L，两边分别有 P1、P 2 两个滑动头，P 1 可在竖直绝缘光滑的固定杆 MN 上保持水平状 态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P 1 刚好指着 A 端，P 1 与托盘固定相连，若 P1、P 2 间出现电压时，该
3、电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小已 知弹簧的劲度系数为 k，托盘自身质量为 m0，电源电动势为 E，内阻不计，当地的重力加 速度为 g。求： （1）托盘上未放物体时，在托盘自身 重力作用下，P 1 离 A 的距离 xl （2）托盘上放有质量为 m 的物体时， P1 离 A 的距离 x2 （3）在托盘上未放物体时通常先核准 零点，其方法是：调节 P2，使 P2 离 A 的距离也为 xl，从而使 P1、P 2 间的电 压为零校准零点后，将物体 m 放在 托盘上，试推导出物体质量 m 与 P1、P 2 间的电压 U 之间的函数关系式 分析：托盘的移动带动 P1 移动，使 P
4、1、P 2 间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下 移动距离的大小，由于 R 为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比 解：（1）由力的平衡知识知： 解得10kxgkgm01 非电物理 量 敏感元件 转换器件 转换电路 电学量 （2）放上重物重新平衡后， 解得20)(kxgmkgm)(01 （3）由欧姆定律知 E=IR U=IRx 由 ，其中 x 为 P1、P 2 间的距离，R x 为 P1、P 2 间的电阻，则LRxkmg12 联立解得 UE 点评：在有关力电传感器的计算中，必然涉及电路计算，注意欧姆定律及分压原理的应 用 P 8.2、 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升
5、高减小（与金属热电阻的特性相反）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。 P 9.例 2、如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆” 挡，再将电表的两支表笔与负温 度系数的热敏电阻 Rt（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的 两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若往 R t 上擦一些酒精，表针将向 _（填“左”或“右” ）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将 向_（填“左”或“右” ）移动。 分析：若往 R t 上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻 R t 温度
6、降低， 电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻， 电阻 R t 温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏 答案：左 右 注意：欧姆表的表盘刻度最右侧为 0，最左侧为最大值 P 10.例 3、如图所示，R 1 为定值电阻，R 2 为负温度系数的热敏 电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电 阻） ，L 为小灯泡，当温度降低时（ C ） AR 1 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 分析：R 2 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 R 2 增大，外电路电阻增大，电流表读数
7、减小，灯 L 电压增大，灯泡亮度变强，R 1 两端电 压减小，故 C 正确，其余各项均错 P 11.3、温度传感器的应用 温度传感器是将温度这个热学量转化为电流这个电学量的。 例 4、家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是 PTC 元件， PTC 元 件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如 图所示，由于这种特性，PTC 元件具有发热、控温两重功能，对此 以下说法中正确的是（ ） A通电后其功率先增大后减小 Rt 欧姆表 B通电后其功率先减小后增大 C当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在 t1 至 t2 的某一值不变 D当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在 t
8、1 或 t2 不变 解析：根据 PTC 元件的电阻率随温度变化的曲线，可知在常温下，它的电阻是相当小的， 通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小， 温度保持在在 t1 至 t2 的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率 变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温 度就会升上去，所以本题正确答案为 A、C。 答案：AC P 13.例 5、一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度 t 变化的关系如图中实 线所示由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同， 因而熨斗的温度可
9、能会在较大范围内波动，易损坏衣 物 有一种用主要成分为 BaTiO3 被称为“PTC”的特殊材 料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度 的特点PTC 材料的电阻随温度变化的关系如图中实 线所示试根据图线分析： （1）为什么原处于冷态的 PTC 熨斗刚通电时比普遍电 熨斗升温快？ （2）通电一段时间后电熨斗温度 t 自动地稳定在 T_tT_范围之内 （填下标 数字） 答案：（1）冷态时 PTC 电阻很小，电功率很大，所以升温很快（ 2）6 7 P 14.例 6、电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体，它的特点是：常温下具有铁磁 性，能够被磁铁吸引，但是上升到约 103时，就失去了磁性
10、，不能被磁体吸引了。这个 温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点” 。 如图所示是电饭煲的电路图，S 1 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。 S2 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 R1R 2500，计算 加热电阻丝 R350，两灯电阻不计。 （1）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。 （2）简要回答，如果不闭合开关 S1，能将饭煮熟吗？ 解：（1）加热时电饭煲消耗的电功率 ，并RUP 2 保温时电饭煲消耗的电功率为 ，)并
11、并1 225032R并 从而有 1212/P并 （2）如果不闭合开关 S1，开始 S2 总是闭合的，R 1 被短路，功率为 P1，当温度上升到 80 时，自动断开，功率降为 P2，温度降低到 70 ，S 2 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。 P 16.4、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。
12、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。 P 17.练习、 如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与 光敏电阻 Rt 的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若用不透 光的黑纸将 Rt 包裹起来，表针将向 _（填“左”或“右” ）转动； 若用手电筒光照射 Rt，表针将向 _（填“左”或“右” ）转动。 简析：光敏电阻受光照越强，电阻越小，电流越大，所以将 Rt 包裹起来 电阻增大，电流减小，指针向左偏，反之向右偏 答案：左 右 P 18.例 7、如图所示，R 1、R 2 为定值电阻，L 为小灯泡，R 3 为光敏电阻，当照
13、射光强度增 大时， （ ABC ） A电压表的示数增大 BR 2 中电流减小 C小灯泡的功率增大 D电路的路端电压增大 分析：当光强度增大时，R 3 阻值减小，外电路电阻随 R3 的减小而 减小，R 1 两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电 路路端电压减小，而电压表的示数增大，A 项正确， D 项错误； 由路端电压减小，而 R1 两端电压增大知，R 2 两端电压必减小，则 R2 中电流减小，故 B 项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的 功率增大 P 19.5、磁电传感器霍尔元件的应用 霍尔元件是将电磁感应这个磁学量转化为电压这个电学量的元件。 例 8、有一
14、个未知的匀强磁场，用如下方法测其磁感应强度，如图所示，把一个横截面是 矩形的铜片放在磁场中，使它的上、下两个表面与磁场 平行，前、后两个表面与磁场垂直当通入从左向右的 电流 I 时，连接在上、下两个表面上的电压表示数为 U已知铜片中单位体积内自由电子数为 n，电子质量 m，带电量为 e，铜片厚度（前后两个表面厚度）为 d， 高度（上、下两个表面的距离）为 h，求磁场的磁感应强 度 B 解：达到动态平衡时有 qvB=qE=qU/hB=U/vh I=nevS=nevhd vh=I/ned B=Udne/I P20 .例 9、电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间 内通
15、过管内横截面的流体的体积） 。为了简化，假设流量计是如图 7 所示的横截面为长方形 的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的 a、b、c，流量计的两端与输送液体 的管道相连接（图中虚线） 。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现 Rt 欧姆表 h B AdV I 于流量计所在处加磁感应强度为 B 的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳 定地 流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻 R 的电流表的两 端连接，I 表示测得的电流值。已知流体的电阻率为 ，不计电流表的内阻，则可求得流 量为( A ) A B)(acbRBI)(cbaRI C D P
16、 22.例 10、如图所示，厚度为 h、宽为 d 的导 体板放在垂直于它的磁感应强度为 B 的均匀磁场 中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面 A 和下侧面 A之间会产生电势差，这种现象称为霍 尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差 U，电 流 I 和 B 的关系为 U=k ，式中的比例系数 k 称 为霍尔系数。 霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板 的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相 反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势 差。 设电流 I 是由电子定向流动形成的，
17、电子的平均定向速度为 v，电量为 e，回答下列问题： （1）达到稳定状态时，导体板上侧面 A 的电势 下侧面的电势（填高于、低于或 等于） 。 （2）电子所受的洛伦兹力的大小为 。 （3）当导体板上下两侧之间的电势差为 U 时，电子所受的静电力的大小为 （4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数 k= ，其中 n 代表导体板单位体积eI 中电子的个数。 解析：（1）首先分析电流通过导体板时的微观物理过程。由于导体板放在垂直于它的磁感 应强度为 B 的匀强磁场中，电流是电子的定向运动形成的，电流方向从左到右，电子运动 的方向从右到左。根据左手定则可判断电子受到的洛仑兹力的方向向上，电子向
18、A 板聚集， A板出现多余的正电荷，所以 A 板电势低于 A板电势，应填“低于” 。 （2）电子所受洛仑兹力的大小为 evBf （3）横向电场可认为是匀强电场，电场强度 ，电子所受电场力的大小为hUEhUeEF （4）电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，由两力平衡有 e evB 可得 h v B 通过导体的电流强度微观表达式为 nevdhI 由题目给出的霍尔效应公式 ，有dIBKU 得dnevhBKhne1 点评：该题是带电粒子在复合场中的运动，但原先只有磁场，电场是在通电后自行形成 的，在分析其他问题时，要注意这类情况的出现。联系宏观量 I 和微观量的电流表达式 是一个很有用的公式。evI
19、P 26.07 年江苏省扬州市一模 11某位移传感器的工作原理如图甲所示，物体 M 在导轨 上平移时，带动滑动变阻器的金属杆 P，通过理想电压表显示的数据来反映物体的位移 x。设电源电动势为 E，内阻不计，滑动变阻器的长度为 L，物体 M 以 O 点为平衡位置做 简谐运动(取向右为正方向)，振幅为 L/2， 物体经过 O 点时 P 恰好位于滑动变阻器的中点。 若电压表的 示数 U 随时间 t 的变化关系如图乙所示，则下列说法中 正确的是（ A D ） A在 t1 时刻 M 具有正方向最大速度 B在 t2 时刻 M 的速度为零 C在 t1 时刻到 t2 时刻时间内，M 的加速度先减小后增大 D在
20、 t1 时刻到 t2 时刻时间内， M 的加速度先增大后减小 P 27.2007 年广东卷 8、压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电 阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原 理如图 6（a）所示，将压敏电阻和一块挡板固 定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小 车向右做直线运动过程中，电流表示数如图 6（b）所示，下列判断正确的是 ( D ) A从 t1 到 t2 时间内，小车做匀速直线运动 B从 t1 到 t2 时间内，小车做匀加速直线运动 C从 t2 到 t3 时间内，小车做匀速直线运动 D从 t2 到 t3 时间内，小车做匀加速直线运动 P28.江苏省启东市 07
21、届第一学期期中测试 7利用传感器和计算机可以测量快速变化的 力，如图是用这种方法获得弹性绳中拉力 F 随时间 t 变化的图线。实验时，把小球举高到 绳子的悬点 O 处，然后让其自由下落，根据图线所提供的信息可判定 ( B D ) At 1 时刻小球速度最大 Bt 2 时刻绳子最长 Ct 3 时刻小球动能最大 Dt 3 与 t4 时刻小球动能相同 P29.07 年扬州市期末调研测试 9如图所示为用热敏电 阻 R 和继电器 L 等组成的一个简单的恒温控制电路，其 中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小电源甲与继电 器、热敏电阻等组成控制电路，电源乙与恒温箱加热器 （图中未画出）相连接则（ B D ）
22、 A当温度降低到某一数值，衔铁 P 将会被吸下 -x O xM V 图甲 P 0 t t1 E/2 E t2 U 图乙 v 压敏电阻 R E A I tt1 t2 t30 图 6（a） （b） A D B C R R P 甲 乙 L B当温度升高到某一数值，衔铁 P 将会被吸下 C工作时，应该把恒温箱内的加热器接在 C、D 端 D工作时，应该把恒温箱内的加热器接在 A、B 端 P 30.07 年 1 月广东省汕尾市调研测试 15、 （16）在实验研究课上，王明和夏青两位同学 分别设计了如图 10 甲，乙两图所示的电子秤。所用器材相同，电源电动势为 E, 内阻不计。 可变电阻长为 L, 电阻为
23、R。弹簧导电，劲度系数为 k，其电阻不计。连接甲图中的电压表 的导线可自由伸缩。不测量时指针 P 均在 a 处(如图中虚线所示) 。使电压表的示数与所称 的重力对应便成为电子秤。 （1）不称重时，甲，乙两图中的电压表示数分别是多大？ （2）分别写出对应于甲，乙两种设计，所称重力 G 与电压表的示数 U 以及 E，k，L 的关 系式。 （3 比较甲，乙两个电路，哪一个比较好？为什么？ 解:（16 分） (1)不称重时，甲图电压表读数为 0 ；乙图电压表读数表示路端电压，又由于电源内阻不 计，所以读数为电源电动势 E (4 分) （2）当有重物放在电子秤盘时，弹簧的伸长量 (1 分)kGx 甲图由
24、电路分压得电压表示数 (2 分)LU 由式得 (2 分)kGE 乙图由电路分压得电压表示数 (2 分)ELx 由式得 (2 分)UkL)( (3)甲好，因重力与电压表示数成正比，表的刻度均匀。 （3 分） P 32.07 年扬州市期末调研测试 12.（2）将单摆挂在测力传感器的探头上，用测力探头和 计算机组成的实验装置来测定单摆摆动过程中摆线受到的拉力(单摆摆角小于 5)，计算机 屏幕上得到如图 a 所示的 Ft 图象然后使单摆保持静止，得到如图 b 所示的 Ft 图 象那么： 此单摆的周期为 s 设摆球在最低点时 Ep=0，已测得当地重力加速度为 g，单摆的周期用 T 表示，那么测得 乙 a
25、 b p V a b p 甲 V 此单摆摆动时的机械能 E 的表达式是 解:（2）0.8s （3 分） 2318gTFE并并 或 （4 分）23并并 P34.07 年 广 东 普 宁 市 华 侨 中 学 三 模 卷 18 （14 分）起跳摸高是学生常进行的一项活动，竖 直起跳的时间和平均蹬地力的在大小能够反映学生在起跳摸高中的素质。为了测定竖直起 跳的时间和平顽强蹬地力的大小，老师在地面上安装了一个压力 传感器，通过它可以在计算机上绘出平均压力与时间的关系图象。 小亮同学身高 1.72m，站间时举手达到 2.14m，他弯曲两腿，做 好起跳的准备，再用力蹬地竖直跳起，测得他对传感器的压力 F 与
26、时间 t 的关系图象如图 15 所示。已知图中网格间距相等，不计 空气阻力，取 g = 10m/s2。求小亮同学起跳摸高的最大高度约为 多少？ 解 ： （ 14 分 ） 从 图 可 知 小 亮 质 量 为 60kg； 它 蹬 地 作 用 力 为 1050N， 加 速 离 开 地 面 时 间 为 0.4s 设 它 蹬 过 程 中 的 平 均 加 速 度 大 小 为 a， 根 据 牛 顿 第 二 定 律 得 magF ./5.7/60522smsmgFa 小 亮 离 开 地 面 时 获 得 的 速 度 约 为 ： tv03 离 开 地 面 后 做 竖 直 上 抛 运 动 上 升 的 高 度 为 ：
27、 gvh45.012 摸 高 约 为 ： mhH59.20 评 分 标 准 ： 步 骤 文 字 表 达 简 要 、 论 述 理 由 正 确 得 3 分 （ 在 后 面 代 入 数 据 时 该 值 正 确 同 样 给 分 ）； 步 骤 正 确 得 5 分 （ 包 括 设 定 物 理 量 和 交 代 所 根 据 的 规 律 ）； 步 骤 正 确 得 2 分 ； 步 骤 正 确 得 2 分 ， 步 骤 正 确 得 2 分 。 P 36.06 年江苏连云港市最后模拟考试 15 （14 分）如图所示的装置可以测量汽车在水平 路面上运动时的加速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装了一个压力传感器 a
28、和 b。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量 m=2.0kg 的滑块，滑块可无摩擦滑动；两弹簧的另一 端分别压在 a、b 上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。当弹簧作用在传感 器上的力为压力时，示数为正；当弹簧作用在传感器上的力为拉力时，示数为负。现将装 置沿运动方向固定在汽车上。汽车静止时，a、b 的示数均为 10N（取 g=10m/s2） 。 若传感器 b 的示数为 14N， a 的示数应该是多少？ 当汽车以什么样的加速度运动时，传感器 b 的示数为零？ 若传感器 b 的示数为-5N，车的加速度大小和方向如何？ 解：由题意知： Fa0=Fb0=kx0=10N， Fb=k（x 0+x）
29、=14N （1 分） 解之得：F b=kx=4N （1 分） 代入得：F a=k（x 0-x）=10N-4N=6N （ 2 分） 传感器 b 的示数为零时，F b =10N 则 Fa=F a0+F b=10N+10N=20N （2 分） 对 m 应用牛顿第二定律得 Fa=ma 得 a= m/s2=10m/s2 （2 分）0. 加速度的方向向左。 （1 分） 若当 Fb= -5N 时，F b=15N 则 Fa=F a0+ Fb=10N+15N =25N （2 分） m 受到的合力大小为 F = Fa+ =25N+5N=30N， （1 分）b 此时 m 的加速度为： m/s2=15m/s2 （1
30、分）30a 方向向左。 （1 分） P 39.南京市 07 届二模 18 （15 分）将力传感器连接到计算机上就可以测量迅速变化的力 的大小。在图甲所示的装置中，可视为质点的小滑块沿固定的光滑半球形容器内壁在竖直 平面的 之间往复运动， 、 与竖直方向之间的夹角相等且都为 （ 10） 。某ABOAB 次实验，用力传感器测得滑块对器壁的压力大小 随时间 变化的曲线如图乙所示，图中Ft =0 时，滑块从 点开始运动。试根据力学规律和题中（包括图中）所给出的信息。求： t （1）压力大小 随时间 变化的周期与小滑块运动的周期之比；Ft （2）容器的半径和小滑块的质量； （3）小滑块运动过程中的最大动
31、能。 （ 取 10m/s2）g0.120.34.9. t/s)F/NOAB 图甲 图乙 解:（1）读图可得，压力大小 随时间 变化的周期 s （1 分）Ft1.T b a m v 经判断知滑块运动的周期 是压力大小变化周期 的 2 倍，故 （2 分）1TT1 （2）滑块在 之间做类似于单摆的简谐运动，周期 = s AB240. 由 = 得容器的半径：R= =0.4 m （2 分）2TgR24g 当滑块运动到最低点时，由牛顿第二定律： （2 分）RvmF 20ax 在 点时有： （1 分）Acosing 滑块由 到最低点过程机械能守恒得： （2 分）)cos(210mgRv 其中， ； （1 分）N.Fmax021.min9 由式解得小滑块的质量：m=0.10 （2 分）9.cs （3）当滑块运动到最低点时，滑块的最大动能最大，其值为 J （2 分）34)cos(gREk
