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，R 1为光敏电阻，R 2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R 1时，信号处理系统获得高电压 （B ）当有光照射R 1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，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。

形动触片 图1

图2

信号处理

·图4

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：

O

图

图11

声波

图7

图8