高中物理中的传感器习题例析
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,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.

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