1、二十 认识传感器 常见传感器的工作原理及应用 (25 分钟60 分)一、选择题(本题共 5 小题，每题 8 分，共 40 分)1.利用现代信息技术进行的实验叫作 DIS 实验，DIS 由传感器、数据采集器和计算机组成。如图所示为“用 DIS 测变速直线运动的瞬时速度”实验的装置图，图中所示的器材为()A位移传感器 B速度传感器C时间传感器D光电门传感器【解析】选 D。光电门传感器能够测量并记录挡光片通过光电门的时间 t。若挡光片的宽度为 d，则瞬时速度 vdt，故 D 正确。【加固训练】关于传感器，下列说法正确的是()A传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量B金属热电阻是一种可以将电学量转换
2、为热学量的传感器C干簧管是能够感知电场的传感器D干簧管接入电路中相当于电阻的作用【解析】选 A。传感器作为一种将其他形式的信号与电信号之间的转换装置，能将非电学量按一定规律转换成电学量，选项 A 正确；金属热电阻是将热学量转化为电学量的传感器，选项 B 错误；干簧管是一种能够感知磁场的传感器，串联在电路中就成为一个由磁场控制的开关，选项 C、D 错误。2.压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体 m，电梯静止时电流表示数为 I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图
3、(甲)(乙)(丙)(丁)所示，下列判断中不正确的是()A(甲)图表示电梯可能做匀速直线运动B(乙)图表示电梯可能做匀加速上升运动C(丙)图表示电梯可能做匀加速上升运动D(丁)图表示电梯可能做变减速下降运动【解析】选 C。匀速时物体受力与静止时相同，电流应为 I0，选项 A 正确；匀加速上升时物体超重，压力恒定，电流恒定且大于 I0，选项 B 正确，C 错误；(丁)图电流减小，电路中的电阻增大，故此过程压力减小，可能为变减速下降运动，选项 D 正确。3.(2021沈阳高二检测)某种角速度计的结构如图所示。当整个装置绕竖直轴 OO转动时，元件 A 相对于转轴发生位移并通过滑动变阻器输出电压，电压传
4、感器(传感器内阻无限大)接收相应的电压信号。已知 A 的质量为 m，弹簧的劲度系数为 k、自然长度为 l，电源的电动势为 E、内阻不计。滑动变阻器总长也为 l，电阻分布均匀，装置静止时滑片 P 在变阻器的最左端 B 处，当系统以角速度 转动时，则()A电路中电流随角速度的增大而增大B弹簧的伸长量为 x mlkm2C输出电压 U 与 的函数关系为 U Emkm2D此装置能测量的角速度最大不超过k2m【解析】选 D。系统在水平面内以角速度 转动时，无论角速度增大还是减小，BC的电阻不变，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中电流保持不变，与角速度无关，故A 错误。设系统在水平面内以角速度 转动时，弹簧伸
5、长的长度为 x，则对元件 A，根据牛顿第二定律得 kxm2(lx)，解得 x ml2km2，故 B 错误。输出电压 URBPRBCExl E，解得 U Em2km2，故 C 错误。当 xl 时角速度最大，则由klm2max(ll)，解得 maxk2m，故 D 正确。4.传感器是能将感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容 C 大小的变化情况就能反映出液面高度 h 的高低情况，则两者的关系是()C 增大表示 h 增大 C 增大表示 h 减小
6、C 减小表示 h 减小 C 减小表示 h 增大A只有正确 B只有、正确C只有正确D只有、正确【解析】选 B。液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当 h 增大时，相当于正对面积增大，则电容 C 应增大；当 h 减小时，相当于正对面积减小，电容 C应减小，B 正确。5电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称为“霍尔转把”，属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲。开启电源时，在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙。随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的电压，已知电压与车速关
7、系如图丙。以下关于“霍尔转把”叙述正确的是()A为提高控制的灵敏度，永久磁铁的上、下端分别为 N、S 极B按图甲顺时针转动电动车的右把手，车速将变快C图乙中从霍尔器件的左、右侧面输出控制车速的霍尔电压D若霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速控制【解析】选 B。由于在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形成电流，当永久磁铁的上、下端分别为 N、S 极时，磁场方向与电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作用，霍尔器件不能输出控制车速的霍尔电压，故 A 错误；当按图甲顺时针转动电动车的右把手，霍尔器件周围的磁场增强，则霍尔器件输出控制车速的霍尔电压增大，因此车速将变快，故 B 正确
8、；根据题意，结合图乙的示意图，永久磁铁的 N、S 极可能在左、右侧面或在前、后表面，因此从霍尔器件输出控制车速的霍尔电压不一定在霍尔器件的左、右侧面，也可能在前、后面，故 C 错误；当霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，从霍尔器件输出控制车速的霍尔电压正负号相反，由图丙可知，不会影响车速控制，故 D 错误。二、计算题(本题共 1 小题，共 20 分。要有必要的文字说明和解题步骤，有数值计算的要标明单位)6.如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为 E，内阻不计，不称物体时，滑动触头 P 在 A 端，滑动变阻器接入电路中的有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下滑动触头下移，滑动
9、变阻器有效电阻变小，电流变大。这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量，若滑动变阻器上 A、B 间长度为l，最大阻值为 R0，保护电阻 R 的最大阻值也为 R0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为 k。(1)试导出所称重物重力 G 与电路中电流 I 的函数关系；(2)该装置达到最大量程时电流表示数是多少？【解题指南】解答本题应注意以下两点：(1)称重时带动触头 P 移动，使 PA 间出现电势差。(2)电势差的大小反映了重物下移的大小，由于 R0 为均匀的滑线电阻，则电阻阻值与长度成正比。【解析】(1)设所称重物重力为 G 时弹簧的压缩量为 x，由题意得 Gkx此时
10、，滑动触头 P 距 B 端距离为 lx，滑动变阻器有效电阻为 R0 xl R0，由闭合电路欧姆定律有IER0（R0 xlR0）由式解得 G2klEklIR0。(2)该装置达到最大量程时，弹簧形变量最大，A、B 间电阻被短路，故此时电流表示数为 Im ER0。答案：(1)G2klEklIR0 (2)ER0 (15 分钟40 分)7.(9 分)如图所示为某商厦安装的光敏电阻自动计数器的示意图。其中 A 是光源，B是由电动机带动匀速运行的自动扶梯，R1 是半导体材料制成的光敏电阻(光照越强，电阻越小)，R2 是定值电阻。每当扶梯上有顾客经过，挡住由 A 射向 R1 的光线时，计数器就计数一次。此计数
11、器的基本工作原理是()A当有光照射 R1 时，信号处理系统获得低电压B不论有无光照射 R1，信号处理系统获得的电压都不变C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D信号处理系统每获得一次高电压就计数一次【解析】选 C。由电路图可知，R1、R2 串联；当有光照射 R1 时，R1 的阻值较小，总阻值较小，由欧姆定律可得电路中电流较大；因 R2 为定值电阻，则 R2 两端的电压较大；当光线被挡住时，R1 的阻值变大，总阻值变大，由欧姆定律可得电路中电流减小；则 R2 两端的电压减小，故 A、B 错误；当光线被挡住时，R1 的阻值变大，则 R2两端的电压减小，信号处理系统每获得一次低电压就计数一次，故
12、 C 正确，D 错误。8.(9 分)(多选)如图是一种电感式微小位移传感器的原理图。1 是待测位移的物体，3是空心线圈，软铁芯 2 插在线圈 3 中并且可以随着物体 1 在线圈中左右平移。关于这种传感器的工作原理，下列说法正确的是()A这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是自感系数B通过这种传感器线圈的电流是交流电C软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件D当物体 1 向右移动时，线圈的自感系数增大【解析】选 B、C。这种传感器输入的物理量是位移，输出的物理量是电流，选项 A错误；当软铁芯插入或拔出线圈时，在线圈中产生方向相反的电流，则通过这种传感器线圈的电流是交流电，选项 B 正确；因软铁芯的
13、移动导致线圈中产生感应电流，则软铁芯是敏感元件，线圈是转换元件，选项 C 正确；当物体 1 向右移动时，软铁芯插入线圈的深度减小，则线圈的自感系数减小，选项 D 错误。【加固训练】(多选)某磁敏电阻的阻值 R 随外加磁场的磁感应强度 B 变化图线如图甲所示。学习小组使用该磁敏电阻设计了保护负载的电路如图乙所示，U 为直流电压，下列说法正确的有()A增大电压 U，负载电流不变B增大电压 U，电路的总功率变大C抽去线圈铁芯，磁敏电阻的阻值变小D抽去线圈铁芯，负载两端电压变小【解析】选 B、C。增大电压 U，为保护负载，磁敏电阻两端需要分压，即电压增大，磁敏电阻的阻值增大，根据甲图可知磁感应强度增大
14、，所以通过线圈的电流增大，根据 PUI 可知，电路的总功率 P 变大，故 A 错误，B 正确；抽去线圈铁芯，线圈产生的磁感应强度减小，故磁敏电阻的阻值变小，则磁敏电阻两端的电压变小，而 U不变，所以负载两端电压变大，故 C 正确，D 错误。9(22 分)(2021潍坊高二检测)为了比赛的公平公正，学校短跑比赛设计安装了一款防抢跑装置，该装置安装在起跑线前，如图甲所示，丙图是其工作原理图：起跑发令枪发令前，开关 S1、S2、S3 都闭合，K 与 A 端相连，绿灯亮；发令枪扳机和开关 S2相连动，扣动扳机，枪响同时开关 S2 断开；当电流表示数小于或等于 30 mA 时，在弹簧弹力作用下，K 与
15、A 端相连，绿灯亮，无人抢跑；当电流表示数大于 30 mA 时，衔铁被吸下，K 与 B 端相连，红灯亮同时铃声响，有人抢跑。已知两电路电源电压均为 6 V，保持不变，压力传感器 R 的阻值随所受压力变化的图像如图乙所示，压板重力不计，电磁铁线圈电阻不计。(1)起跑发令枪发令前，开关 S1、S2、S3 都闭合，压力传感器 R 压板上无人(压力 F0)时，左端电路消耗的电功率为多少？(2)比赛时，起跑发令枪发令前，抢跑同学踩在压板上的压力 F 为 900 N 时，左端电路电流表读数为多少？(3)比赛时，枪声响起后，若某同学踩在压板上的力为 1 500 N 时，要使得红灯不亮，电阻 R0 至少为多大
16、？【解析】(1)当开关 S1、S2、S3 都闭合，压力传感器 R 压板上无人时，由图像知，压力传感器的电阻为 R300，所以左端电路消耗的电功率为 PU2R（6 V）2300 0.12 W(2)当有人抢跑时，对传感器的压力为 900 N，由图像知，此时压力传感器的电阻为 R100，所以左端电路电流表读数为 IUR 6 V100 0.06 A(3)由题意知，红灯不亮时的电路最小电流为 I 最小30 mA0.03 A此时的电路最大电阻为 R 总 UImin 6 V0.03 A 200 由图像知，当传感器受到的压力是 1 500 N 时，此时的电阻为 Rmin50 所以保护电阻的阻值最小为 R0R 总Rmin200 50 150 答案：(1)0.12 W(2)0.06 A(3)150