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第4讲　传感器
实验十七　利用传感器制作简单的自动控制装置
学习目标
1.掌握制作传感器常用元件:光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、霍尔元件的基本特性及工作原理。
2.探究传感器的工作原理及传感器应用的一般模式。
3.能利用传感器制作简单的自动控制装置。
一、五种敏感元件的作用和特点
敏感元件 作用 特点
热敏电阻 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 一般情况下，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大
金属 热电阻 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 一般情况下，金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，随温度的降低而减小
光敏电阻 将光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量 一般情况下，光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，随光照强度的减弱而增大
霍尔元件 将磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量 对于某个确定的霍尔元件，它的厚度d、霍尔系数k为定值，如果保持电流I恒定，则霍尔电压UH就与磁感应强度B成正比
压敏电阻 将压力这个力学量转换为电阻这个电学量 压敏电阻的阻值随压力的变化而变化
二、实验过程
1.研究热敏电阻的热敏特性
(1)将热敏电阻放入烧杯中的水中，测量水温和热敏电阻的阻值(如图甲所示)。
(2)准备好记录电阻与温度关系的表格(如下表)。
　　次数 待测量　　 1 2 3 4 5 6
温度/℃
电阻/Ω
(3)改变水的温度，多次测量水的温度和热敏电阻的阻值，记录在表格中，把记录的数据画在R-t图中，得图像如图乙所示。
2.研究光敏电阻的光敏特性
(1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡。
(2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据。
(3)打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察表盘指针显示电阻阻值的变化情况，并分别记录。
(4)用手掌(或黑纸)遮光时电阻值又是多少，并记录。
把记录的结果填入下表中，根据记录的数据分析光敏电阻的特性。
光照强度 弱 中 强 无光照射
阻值/Ω
结论:光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强时电阻变小，光照减弱时电阻变大。
三、误差分析
1.温度计读数带来误差。
2.多用电表读数带来误差。
3.作R-t图像时的不规范易造成误差。
四、注意事项
1.在做热敏实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。
2.光敏实验中，如果效果不明显，可将光敏电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少。
3.欧姆表每次换挡后都要重新欧姆调零。
考点一　敏感元件与传感器
例1 目前，传感器已经广泛应用于生产、生活、科学研究等各个领域，关于传感器的应用，下列说法中错误的是(　　)
A.自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器
B.走廊照明灯的声控开关、红外报警装置都是应用了声传感器
C.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
D.热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
答案　B
解析　自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器，故A正确;在天黑楼道里出现声音时，楼道里的灯才亮，说明它的控制电路中既有声音传感器，又有光传感器;但红外报警装置是应用了红外线传感器，故B错误;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，且随着光照强度的变化，其电阻会发生变化，故C正确;热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，且随着温度的升高，其电阻会发生变化，故D正确。
例2 (2025·江苏南通开学考试)如图所示为火灾报警器的部分电路，下列说法中正确的是(　　)
A.图中的外罩必须是密封的
B.图中的挡板必须是透明挡板
C.如有烟雾颗粒进入该装置即可能报警
D.仅LED灯两端的电压波动该装置将报警
答案　C
解析　烟雾从外罩进入罩内，所以外罩不能密封，故A错误;LED灯和光电三极管用一不透明的挡板隔开，没有险情时光电三极管不能收到LED灯发出的光，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照在三极管上，将光信号转换成电信号，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，所以该传感器是用光传感器实现报警的，所以LED灯两端的电压波动无法使该装置报警，故B、D错误，C正确。
1.(2025·江苏徐州模拟)我校很多同学“挤电梯”时会触发电梯超载报警系统，这极不安全。某同学自行设计了一种超载报警电路如图所示。电源电动势为E、内阻为r(随着电源电池的使用，可认为E不变、r变大)，电阻R1、R2中的一个是定值电阻，另一个是压敏电阻。压敏电阻装在电梯底部，其阻值随压力的增大而减小，当电压表示数大于或等于某一值U0时，就会触发报警。电压表为U0时电梯中的压力称为警戒压力。下列说法正确的是(　　)
A.R1为压敏电阻
B.若换用电动势更大的电源，警戒压力将变小
C.随着电源电池的使用，警戒压力将变小
D.若换用阻值更大的定值电阻，警戒压力将变大
答案　B
解析　当压敏电阻有压力作用时，压敏电阻的阻值减小，回路总电阻减小，回路中干路电流增大，若触发报警，则电压表示数也将增大，若R1为压敏电阻，则电源内阻与定值电阻承担的电压增大，则压敏电阻两端电压减小，可知R1不是压敏电阻为定值电阻，故A错误;若换用电动势更大的电源，在相等的压力作用下，回路中的电流大一些，此时电压表的示数也大一些，即警戒压力将变小，故B正确;随着电源电池的使用即E不变、r变大，在相等的压力作用下，回路中的电流小一些，此时电压表的示数也小一些，即警戒压力将变大，故C错误;若换用阻值更大的定值电阻，在相等的压力作用下，回路中的电流小一些，结合上述可知，此时电压表的示数也大一些，即警戒压力将变小，故D错误。
2.(2024·广东东莞期中)某种感温式火灾报警器如图甲所示，其简化的工作电路如图乙所示。变压器原线圈接电压有效值恒定的交流电源。副线圈连接报警系统，其中RT为热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小，R0为滑动变阻器，R1为定值电阻。当警戒范围内发生火灾，环境温度升高达到预设值时，报警装置(图中未画出)通过检测R1的电流触发报警。下列说法正确的是(　　)
A.警戒范围内出现火情时，副线圈两端电压减小
B.警戒范围内出现火情时，原线圈输入功率变小
C.通过定值电阻R1的电流过高时，报警装置就会报警
D.若要调低预设的报警温度，可增大滑动变阻器R0的阻值
答案　C
解析　由于原线圈两端电压与匝数比不变，则警戒范围内出现火情时，副线圈两端电压不变，故A错误;警戒范围内出现火情时，副线圈两端电压不变，而副线圈中总电阻减小，副线圈中电流增大，由P=UI可知副线圈的输出功率变大，则原线圈输入功率变大，故B错误，C正确;若要调低预设的报警温度，即热敏电阻的阻值较大，要保持流过R1的电流不变，则可减小滑动变阻器R0的阻值，故D错误。
考点二　实验:利用传感器制作简单的自动控制装置
例3 (2024·江苏无锡市统考)传感器在自动控制中发挥着重要作用。图甲是利用热敏电阻RT制作的自动报警装置，其中热敏电阻RT阻值随温度变化的图线如图乙所示。
(1)为了使温度过高时报警器铃响，开关c应接在　　　　(选填“a”或“b”)处。
(2)若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向　　　　(选填“左”或“右”)移动。
答案　(1)a　(2)左
解析　(1)根据题图乙坐标系中曲线的趋势可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，为了使温度过高时报警器铃响，开关c应该接在a处。
(2)若要使启动报警的温度提高些，滑动变阻器滑片P应向左移动。
考点三　含传感器的电学实验
例4 (2022·重庆卷，11)某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系。实验电路如图所示，实验设定恒定电流为50.0 μA，主要实验器材有:恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V。
(1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为50.0 μA，须调节　　　　　　　　(选填一种给定的实验器材)。当RT两端未连接电压表时，电流表示数为50.0 μA;连接电压表后，电流表示数显著增大，须将原电压表更换为内阻　　　　(选填“远大于”“接近”或“远小于”)RT阻值的电压表。
(2)测得RT两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是　　　　kΩ·℃-1(保留2位有效数字)。
答案　(1)可变电阻R1　远大于　(2)-1.2
解析　(1)由题知恒压直流电源E的电动势不变，而用加热器调节RT的温度后，导致整个回路的总电阻改变，而要确保电流表的示数仍为50.0 μA，则需控制整个回路的总电阻不变，故须调节可变电阻R1。连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与RT并联后R总减小，则根据并联电阻的关系有R总==，则要保证R总不变，须将原电压表更换为内阻远大于RT阻值的电压表。
(2)实验设定恒定电流为50.0 μA，由题图可得温度为35.0 ℃时电压表的电压为1.58 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT1=31.6 kΩ;温度为40.0 ℃时电压表的电压为1.28 V，则根据欧姆定律可知此时热敏电阻RT2=25.6 kΩ，则温度从35.0 ℃变化到40.0 ℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是k==-1.2 kΩ·℃-1，负号表示随着温度升高RT的阻值减小。
1.(2024·江苏常州期中)下列关于传感器元件说法错误的是(　　)
A.如图甲，是一光敏电阻，随着光照的增强，载流子增多，导电性变好
B.如图乙，是一电阻应变片，其电阻随因受外力而发生机械形变的变化而发生变化
C.如图丙，当磁体靠近“干簧管”时电路接通，其开关的功能是利用了电磁感应原理
D.如图丁，是一种电感式微小位移传感器，当物体1向左移动时，线圈自感系数变大
答案　C
解析　图甲是一光敏电阻，随着光照的增强，载流子增多，电阻减小，导电性变好，故A正确;图乙是一电阻应变片，其电阻随因受外力而发生机械形变的变化而发生变化，故B正确;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，两个簧片被磁化相互吸引而接通，当磁体远离干簧管时，软磁性材料制成的簧片失去磁性，两簧片又分开，经常被用于控制电路的通断，不是电磁感应原理，故C错误;图丁是一种电感式微小位移传感器，当物体1向左移动时，铁芯插入的长度变大，线圈自感系数变大，故D正确。
2.(2024·江苏淮安期末)如图所示为电熨斗构造示意图，其中温度敏感元件是双金属片，其作用是控制电路的通断。下列说法中不正确的是(　　)
A.常温下，电熨斗的上下触点是接触的
B.当温度升高时，双金属片向下弯曲
C.当温度升高时，双金属片上层的膨胀大于下层
D.熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，这时调节调温旋钮使调温旋钮下降
答案　D
解析　当温度升高时，双金属片向膨胀系数小的一侧弯曲，接触点断开，故上层的膨胀大于下层金属片，从而向下弯曲，故C正确;常温下，电熨斗的上下触点是接触的;当温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分开，起到调温作用，故双金属片向下弯曲，故A、B正确;熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，即温度稍高时，金属片就要离开触点，所以要将调温旋钮旋转上升，保证在温度升高到一定值时，金属片与接触点断开，故D错误。
3.(2024·江苏泰州期末)地磅工作原理图如图所示，地磅空载时变阻器滑片P位于A点，满载时滑片P位于B点，弹簧始终处于弹性限度内。下列说法正确的是(　　)
A.电压表两端电压与被测汽车的质量成反比
B.电池长时间使用后，称量值会偏小
C.若称量值偏小，可在R0上串联一个电阻进行校正
D.若将一个电阻与电压表串联，可增大地磅量程
答案　B
解析　设变阻器AB的总电阻为R，总长度为L，AP之间的距离为x，根据闭合电路欧姆定律得E=I(R+R0+r)，由欧姆定律得U=IRx，Rx=R，汽车平衡时，由平衡条件得 mg=2kx，联立解得U=··，则电压表两端电压U与被测汽车的质量m成正比，故A错误;电池长时间使用后，内阻会变大，导致电流减小，AP上的电压减小，所以称量值会偏小，故B正确;若称量值偏小，可以通过在R0上并联一个电阻，使回路中总电阻变小，总电流增大，可变电阻上的电压增大，使称量值不变，故C错误;若将一个电阻与电压表串联，AP之间的最大电压不受此电阻的影响，没有办法增大地磅量程，故D错误。
4.(2024·江苏南京金陵中学模拟)智能化育苗蔬菜基地对环境要求严格，其中包括对光照强度的调控，光照强度简称照度I，反映光照的强弱，光越强，照度越大，单位为勒克斯(lx)。为了控制照度，科技人员设计了图甲所示的智能光控电路。
(1)智能光控电路的核心元件是光敏电阻R，某同学用如图乙所示的电路，测量光敏电阻在不同照度时的阻值，实验所用器材:电源E1(9 V)、滑动变阻器R4 (最大阻值为20 Ω)，电压表(量程为0~3 V，内阻为3 kΩ)和毫安表(量程为0~3 mA，内阻不计)。定值电阻R0=6 kΩ、开关、导线若干。则在闭合电路开关前应该把滑动变阻器的滑片移到　　　　(选填“左”或“右”)端。
(2)某次测量时电压表的示数如图丙所示，其读数为　　　　V，电流表读数为1. 5 mA，此时光敏电阻的阻值为　　　　kΩ。
(3)通过测量得到6组数据如下表，请在图丁中作出阻值R随照度I变化的图像，由图可判断光敏电阻的阻值与照度　　　　(选填“满足”或“不满足”)反比例函数关系。
照度I(klx) 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0
电阻R(kΩ) 7.5 4.0 2.8 2.3 2.0 1.8
丁
(4)该同学用上述光敏电阻接入图甲所示的电路，其中电源电动势E=6.0 V，内阻忽略不计，电阻R1=100 Ω，电阻箱R2的阻值调节范围是0~9 999.9 Ω，光敏电阻R的电压U增加到2.0 V时光照系统开始工作，为了使照度降低到4 klx时，自动控制系统开始补光，R2的阻值应该调节为　　　　kΩ。
(5)要加快蔬菜的生长，适度提高光照时间，可调节的方法是　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)左　(2)1.80　3.6　(3)见解析图　不满足
(4)7.9　(5)减小R2
解析　(1)为了保证电路的安全，应在闭合开关前将滑动变阻器滑到左端。
(2)电压表的最小刻度值为0.1 V，电压表的读数为1.80 V
阻值为R== Ω=3.6 kΩ。
(3)阻值R随照度I变化图像如图所示
根据图像可知纵坐标与横坐标的乘积不是一个常数，所以光敏电阻的阻值R与照度不满足反比例函数关系。
(4)照度降低到4 klx时，R=4 kΩ
E=(R1+R2+R)
解得R2=7.9 kΩ。
(5)适度提高光照时间，由(4)可知调节方法是减小R2的阻值。
5.(2025·辽宁一模)现要组装一个酒精测试仪，它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器。此传感器的电阻Rx随酒精气体浓度的变化而变化，规律如图甲所示。酒精测试仪的调试电路如图乙所示。目前国际公认的酒驾标准是“0.2 mg/mL≤酒精气体浓度<0.8 mg/mL”，醉驾标准是“酒精气体浓度≥0.8 mg/mL”提供的器材有:
A.二氧化锡半导体型酒精传感器Rx
B.直流电源(电动势为4 V，内阻不计)
C.电压表(量程为3 V，内阻非常大)
D.电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)
E.定值电阻R1(阻值为50 Ω)
F.定值电阻R2(阻值为10 Ω)
G.单刀双掷开关一个，导线若干
(1)为使电压表改装成酒精浓度测试表以判断是否酒驾，R应选用定值电阻　　　　(选填“R1”或“R2”)。
(2)按照下列步骤调节此测试仪:
①电路接通前，先将电阻箱调为30.0 Ω，然后开关向　　　　(选填“a”或“b”)端闭合，将电压表此时指针对应的刻度线标记为　　　　mg/L(保留1位小数)。
②逐步减小电阻箱的阻值，电压表的示数不断　　　　(选填“变大”或“变小”)。按照甲图数据将电压表上“电压”刻度线标为对应的“酒精浓度”;此浓度表刻度线上对应的浓度值是　　　　(选填“均匀”或“非均匀”)变化的;
③将开关向另一端闭合，测试仪即可正常使用。
(3)在电压表刻度线上标注一段红色的长度以提醒酒驾的读数范围，该长度与电压表总刻度线长度的比例为1∶　　　　。
(4)使用一段时间后，由于电源的电动势略微变小，内阻变大，其测量结果　　　　(选填“偏大”“偏小”或“准确”)。
答案　(1)R2　(2)①b　200.0　②变大　非均匀　(3)3　(4)偏小
解析　(1)电压表并联在定值电阻两端，由欧姆定律可得，定值电阻两端的电压UR=
由题图甲可知10 Ω≤Rx≤70 Ω，电动势为4 V，电压表量程为3 V，得URmax=≤3 V
可得R≤30 Ω
故R应选用定值电阻R2。
(2)①本实验采用替代法，用电阻箱的阻值替代传感器的电阻Rx，故应先将电阻箱调到30.0 Ω，结合电路，开关应向b端闭合
由题图甲可知Rx=30 Ω时，酒精气体浓度为
0.20 mg/mL=200.0 mg/L
②逐步减小电阻箱的阻值，定值电阻上的分压变大，电压表的示数不断变大
由题图甲知，传感器的电阻Rx随酒精气体浓度是非均匀变化的，故此浓度表刻度线上对应的浓度值是非均匀变化的。
(3)根据电路分压原理，酒精浓度0.20 mg/mL时传感器电阻为30 Ω，此时电压表示数为
U1=E=×4 V=1 V
酒精浓度0.80 mg/mL时传感器电阻为10 Ω，此时电压表示数为U2=E=×4 V=2 V
故电压表1~2 V为酒驾范围，占总量程;则该长度与电压表总刻度线长度的比例为1∶3。
(4)使用一段时间后，由于电源的电动势略微变小，内阻变大，电路中电流减小，电压表示数偏小，故其测量结果偏小。

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