例析高考物理中的新热点――传感器

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近几年传感器成为高考的一个新热点。传感器是现代检测和控制装置的重要组成部分，在现代科学技术领域中的地位越来越重要。从近年高考命题来看，试题越来越贴近物理知识的实际应用。传感器作用信息采集的重要元件，在自动控制、信息处理等技术中发挥着重要的作用，而近几年关于传感器的高考题也越来越多。传感器应该成为07年高考复习的一个重点。

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），本文收集了一些传感器方面的高考题及与高中物理知识贴近的常见传感器的相关习题，并进行分类，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（06上海物理高考第16题）为了测试某种安全阀在外界环境为一个大气压时，所能承受的最大内部压强，某同学自行设计制作了一个简易的测试装置。该装置是一个装有电加热器和温度传感器的可密闭容器。测试过程可分为如下操作步骤：

a.记录密闭容器内空气的初始温度t1;

b.当安全阀开始漏气时，记录容器内空气的温度t2；

c.用电加热器加热容器内的空气；

d.将待测安全阀安装在容器盖上；

e.盖紧装有安全阀的容器盖，将一定量空气密闭在容器内。

（1）将每一步骤前的字母按正确的操作顺序填写：_____________；

（2）若测得的温度分别为t1=27℃，t2=87℃，已知大气压强为1.0×105pa，则测试结果是：这个安全阀能承受的最大内部压强是。

解析第（1）题考查学生的实验设计能力，此题必须要能在充分熟悉题意的基础上才能进行设计。答案为deacb。

第（2）题分析过程：由于气体体积一定，压强与温度成正比，T1=273+27=300K；T2=273+87=360K。由P2:P1=T1:T2，得P2=1.2×105Pa，答案为1.2×105Pa。

例2温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻随温度变化而阻值变化的特性工作的。在图甲中，电源的电动势E=9.0V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度变化关系如图乙的R-t图线所示。闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1=2mA，则当电流表的示数I2=3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？

解析原来E=I1（Rg+R1）

由图乙得温度等于20℃时，R=4000Ω

代入得：9=0.002(Rg+4000)，

所以Rg=500Ω；

后来9=0.0036（Rg+R2）得R2=2000Ω，

由图乙得R的温度等于120℃。

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（05上海物理高考第23题）一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动，在圆盘上沿半径开有一条宽度为2mm的均匀狭缝。将激光器与传感器上下对准，使二者间连线与轨轴平行，分别置于圆盘的上下两侧，且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动，激光器连续向下发射激光束。在圆盘转动过程中，当狭缝经过激光器与传感器之间时，传感器接收到一个激光信号，并将其输入计算机，经处理后画出相应图线。图（a）为该装置示意图，图（b）为所接收的光信号随时间变化的图线，横坐标表示时间，纵坐标表示接收到的激光信号强度，图中Δt1=1.0×10-3s，Δt2=0.8×10-3s。

（1）利用图（b）中的数据求1s时圆盘转动的角速度；

（2）说明激光器和传感器沿半径移动的方向；

（3）求图（b）中第三个激光信号的宽度Δt3。

解析（1）由图线读得，转盘的转动周期

T=0.8s①

角速度ω=2π/T=7.85rad/s②

（2）激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动（理由为：由于脉冲宽度在逐渐变窄，表明光信号能通过狭缝的时间逐渐减少，即圆盘上对应探测器所在位置的线速度逐渐增加，因此激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动）。

（3）设狭缝宽度为d，探测器接收到第i 个脉冲时距转轴的距离为r1，第i个脉冲的宽度为ti，激光器和探测器沿半径的运动速度为v。

Δti=d/2πriT③

r3-r2=r2-r1=vT④

r2-r1=dT/2π(1/Δt2-1/Δt1)⑤

r3-r2=dT/2π（1/Δt3-1/Δt2）⑥

由④⑤⑥式解得：

Δt3=Δt1Δt2/2Δt1-Δt2≈0.67×10-3s

3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：

3.1电阻式传感器

例4如图a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b所示），左边是它的侧面图,这四个电阻连接成电路如图c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？

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（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？它为什么能测量血压？

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。

3.2电容式传感器

例5如图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。

（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。

4声电传感器

声电传感器是将气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号。因此，其本质还是属于力电传感器，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。

4.1电容式传感器

例6如右图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.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。

4.2动圈式传感器

例7下面是动圈式话筒的原理图，请你根据下图说出具体原理。

解析动圈式话筒是利用电磁感应现象制成的。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。

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