高中物理中的传感器习题例析

高中物理中的传感器习题例析浙江诸暨中学（311800）王晓峰教学改革要求注重对学生能力的培养，从近年高考命题来看，试题越来越贴近实际问题和物理知识的实际应用。传感器作为信息采集重要元件，在自动控制、信息处理等技术中发挥着重要的作用，而关于传感器的题型也越来越多。传感器是指能将所感受到的物理量（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，其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号。传感器可以根据其利用的元件进行分类（如电容传感器、电阻传感器等），也可以按其转换的信号来分类（如光电、热电传感器等），本文收集了一些与高中物理知识贴近的常见传感器的相关习题，并以后者进行分类，供大家参考。1．热电传感器：热电传感器是指将温度信号转换成电信号的一类传感器，一般有两类：一类是随温度变化引起传感器中某个组件形状的变化（如热胀冷缩）达到转换信号的目的；还有一类是随温度变化引起电阻的变化（如半导体材料中热敏电阻随温度升高电阻减小）达到转换信号的目的。例1：日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？解析：日光灯启动器结构如图1所示，内有一双金属片，热膨胀系数不同。开关闭合后，启动器两极之间有电压使氖气放电而发出辉光，辉光发出的热量使U形动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触片接触，电路接通；温度降低时，U动触片向里收缩，离开触点，切断电路。例2：给你如下器材：热敏电阻、电铃、电源继电器，滑动变阻器，开关和导线若干。试从所给器材中选用一些器材制作一个高温自动报警器，要求是：不必要的器材尽量不用，画出电路图。解析：选择热敏电阻、电铃、电源继电器及导线若干，连接电路如图2。原理：当温度升高，热敏电阻电阻减小，螺线管中电流增大，电磁铁磁性变强，衔铁被吸下，与触头接触，含电铃电路闭合，电铃鸣响报报警。在热电传感器中要注意热敏电阻的电阻值是随温度升高而减小，抓住这特性，再结合电学知识就能够分析出设计原理并用以解题。2．光电传感器：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。例3：如图3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（AD）（A）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，U形动触片静触片氖泡图1电铃热敏电阻触头衔铁弹簧图2AR1R2信号处理系统图3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。例4：给你光电管、电磁继电器、直流电源、开关、照明电路、路灯及导线，设计一个用于街道的路灯自动控制开关，达到日出路灯熄，日落路灯亮的效果，并说明设计原理。解析：设计电路如图4，当光照加强时，光电管电阻变小，通过线圈的电流变大，电磁铁磁性变强，把衔铁吸下，脱离触点，照明电路断开，灯熄灭；当光照减弱时，光电管电阻变大，电流减小，电磁铁磁性减弱，衔铁被弹簧弹回与触点接触，照明电路接通，灯亮。因此就可做到日出灯熄，日落灯熄。3．声电传感器：声电传感器是指将声音信号转换为电信号的一类传感器，常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感器。例5：如图5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，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，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容器两板间的（A）（A）距离变化（B）正对面积变化（C）介质变化（D）电压变化解析：这个声电传感器又可归到电容传感器中。由题意对着话筒说话时，振动膜前后振动，则金属层和金属板间距离改变，即电容器两极板间距改变，故导致电容变化的原因可能是容器两极间的距变变化，选A。例6：下面是动圈式话筒的原理图，请你根据图6说出具体原理。解析：动圈式话筒是利用电磁感应现象象制成的。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。音圈在永磁铁的磁场中振动，其中就产生感应电流，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，从扬声器中就发生放大的声音。4．力电传感器：力电传感器是将力信号转换为电信号的一类传感器，如下面两例：例7：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为k）如图7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上物体，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）。请完成对该物体的测量m。（1）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能S·······触点衔铁光电管零线火线图4金属板金属膜振动膜外电路图5磁铁音圈金属膜片声波图6力电转换器＋＋－－输出输入受压面图7大，在方框中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。（3）请设想实验中可能会出现的一个问题。解析：（1）设计的电路图如图8所示，输入电压采用分压接法目的是让电压可调范围尽可能大。（2）测量步骤：①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零。②将质量为m0的砝码放在转换器上，记下输出电压U0。③将待测物体放在转换器上，记下输出电压U1，由U0=km0g得k=U0/m0g，测得U1=kmg，所以m=m0U1/U0。（3）可能出现的问题（注：本题属开放性问题答案不唯一）：①因电源电压不够而输出电压调不到零。②待测物体质量超出转换器量程。例8：如图9所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图。薄金属片P固定有4个电阻R1、R2、R3、R4（如图10所示），左边是它的侧面图这四个电阻连接成电路如图11所示，试回答下列问题：（1）开始时金属片中央O点未加任何压力，欲使电压表无示数，则4个电阻应满足怎样的关系？（2）当O点加一个压力F后发生形变，这时4个电阻也随之发生形变，形变后各电阻大小如何变化？（3）电阻变化后，电阻的A、B两点哪点电压高？它为什么能测量电压？解析：（1）本题是电路中A、B两点间电压与4个电阻的关系，由于电压表的电阻可看作无穷大，因此本电路是R1、R2的串联电路与R3、R4的串联电路并联，伏特表电路相当于一根电桥，要使伏特表无读数，即A、B两点电势相等则有：R1/R2=R3/R4或R1R4=R2R3。（2）当O点加垂直于金属片的压力后，金属片发生形变，由于电阻是固定在金属片上的（由上图），因此R1、R4被拉长，R2、R3被拉宽，根据电阻定率，则R1、R4增大，R2、R3减小，显然，这时A、B两点电压不再相等。（3）电阻增大，电压降增大，电阻减小，电压降减小，故在R1、R2的串联电路上R1上的电压降增大，R3、R4串联电路上R3电压降减小，所以A点电压高于B点电压。测量血压时，血压越高，压力F越大，金属片形变越显著，电阻变化越大，因而电压表示数越大，于是就能根据电压表示数的大小来测量血压的高低了。当然在实际上由于金属片形变较小，所以电阻变化也较小，A、B两点间电压还要经过放大才能通过电表指示出来，有的还可以转换成数字显示出来。5．其它传感器：除以上这些传感器外，还有将除力、热、光、声外信号转换成电信号的传感器，如下面两例：P图9FOPR1R4R2R3O图10VR1R2R3R4BA图11力电转换器＋＋－－输出输入受压器SVR图8例9：如图12所示的是通过电容器的变化来检测容器内液面高低的仪器示意图，容器中装有导电液体，是电容器的一个电极，中间的导体芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管作为电介质，电容器的这两个电极分别用振荡电路产生电磁振荡，根据其振荡频率的高低（用与该电路相连的频率计显示）就可知容器中液面位置的高低。（1）如果频率计显示该振荡电路的振荡频率变大了，则液面是升高了还是降低了？（2）容器内的导电液体与大地相连，若某一时刻线圈内磁场方向向右，且正在增强，则此时导体芯柱的电势是正在升高还是降低？解析：由题意可知导电液体和导线芯为两极板绝缘管为电介质构成一个电容器，此电容器与线圈组成一个LC振荡电路，当电容器电容变化时，便会引起振荡频率的变化，而此电容器电容的变化是由于液体和导线芯的正对面积的变化即液面的升降引起的，且随液面升高电容变大，故可以通过振荡频率的变化来探知液体深度的变化，即将液体深度的信号转换成了振荡频率信号。（1）根据题意设电容器的电容为C，线圈的自感系数为L，则振荡频率LCf21，由题意知f变大，则C减小，可知液面位置降低。（2）某一时刻线圈内磁场方向向右，根据右手定则，电流方向应如图所示，可知电容容器正处在放电过程，电容器两极板上电量减少，电压减小，又因导电液与大地相连电势始终为零，故导体芯线电势是正在降低。例10．如图14所示，有的计算机键盘的每一个键下面都连一小块金属片，与该金属片隔有一定空气隙的是另一块小的固定金属片，这两块金属片组成一个小电容器．该电容器的电容C可用公式dSeC计算，式中常量e=9×10-12F·m-1，S表示金属片的正对面积，d表示两金属片间的距离．当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号．设每个金属片的正对面积为50mm2，键未按下时两金属片的距离为0.6mm．如果电容变化了0.25pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少要被按下0.15mm。解析：计算机键盘是一个电容传感器，由题意知是改变两极板间距改变电容，得到相应的电信号。又因两极板间距减小，电容变大，设原间距为d0，至少要按下距离为d，电子线路恰能检测出必要的信号，则根据dSeC，)11(0ddeSC，得mmeSdCeSdd36123123612001015.01050109106.01025.0106.01050109，即d=0.15mm。以上所举的传感器例子虽然各不雷同且在传感器问题中也只能窥一斑，但分析思路却有共同点：因为传感器工作过程都是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号，故在分析过程中只要把握住该元件相对敏感信号的变化关系，再分析该元件的变化对其所处环境的影响，就能将传感器的原理分析出来并用以解题。在实际生活中，传感器的应用非常广且越来越广，通过对传感器问题的练习，有助于提高学生的思考能力及将知识实际应用的能力，开阔学生的眼界，本文只是例举了常见的与高中知识比较贴近的一些传感器，希望能给大家带来帮助。h导线芯绝缘物质导电液体图12图13