實驗十七利用傳感器制作簡單的自動控制裝置學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道什么是傳感器,知道光敏電阻和熱敏電阻等敏感元件的特性和應(yīng)用。2.學(xué)會傳感器的簡單使用并會制作簡單的自動控制裝置。一、五種敏感元件的作用和特點敏感元件作用特點熱敏電阻將溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量一般情況下，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大金屬熱電阻將溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量一般情況下，金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減小光敏電阻將光照強度這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量一般情況下，光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而減小，隨光照強度的減弱而增大霍爾元件將磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量對于某個確定的霍爾元件，它的厚度d、霍爾系數(shù)k為定值，如果保持電流I恒定，則霍爾電壓UH就與磁感應(yīng)強度B成正比U壓敏電阻將壓力這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量壓敏電阻的阻值隨壓力的變化而變化二、實驗過程1.研究熱敏電阻的熱敏特性(1)將熱敏電阻放入燒杯中的水中,測量水溫和熱敏電阻的阻值(如圖甲所示)。(2)準(zhǔn)備好記錄電阻與溫度關(guān)系的表格(如下表)。次數(shù)待測量123456溫度/℃電阻/Ω(3)改變水的溫度,多次測量水的溫度和熱敏電阻的阻值,記錄在表格中,把記錄的數(shù)據(jù)畫在R-t圖中,得到圖像如圖乙所示。2.研究光敏電阻的光敏特性(1)將光電傳感器、多用電表、燈泡、滑動變阻器按如圖所示電路連接好,其中多用電表置于“×100”擋。(2)先測出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值,并記錄數(shù)據(jù)。(3)接通電源,讓小燈泡發(fā)光,調(diào)節(jié)小燈泡的亮度使之逐漸變亮,觀察表盤指針顯示電阻阻值的變化情況,并記錄。(4)用手掌(或黑紙)遮住電阻,觀察表盤指針顯示的電阻阻值,并記錄。把記錄的結(jié)果填入下表中,根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。光照強度弱中強無光照射阻值/Ω結(jié)論:光敏電阻的阻值被光照射時發(fā)生變化,光照增強時電阻變小,光照減弱時電阻變大。三、誤差分析1.溫度計讀數(shù)帶來誤差。2.多用電表讀數(shù)帶來誤差。3.作R-t圖像時的不規(guī)范易造成誤差。四、注意事項1.在做熱敏電阻的熱敏特性實驗時,加開水后要等一會兒再測其阻值,以使電阻溫度與水的溫度相同,并同時讀出水溫。2.光敏實驗中,如果效果不明顯,可將光敏電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中,并通過蓋上小孔改變射到光敏電阻上的光的多少。3.歐姆表每次換擋后都要重新進行歐姆調(diào)零?？键c一用溫度傳感器設(shè)計控制電路例1(2024·浙江1月選考,16Ⅲ)在探究熱敏電阻的特性及其應(yīng)用的實驗中,測得熱敏電阻Rt在不同溫度時的阻值如下表所示。溫度/℃4.19.014.320.028.038.245.560.4電阻/(102Ω)2201601006045302515某同學(xué)利用上述熱敏電阻Rt、電動勢E=3V(內(nèi)阻不計)的電源、定值電阻R(阻值有3kΩ、5kΩ、12kΩ三種可供選擇)、控制開關(guān)和加熱系統(tǒng),設(shè)計了A、B、C三種電路。因環(huán)境溫度低于20℃,現(xiàn)要求將室內(nèi)溫度控制在20℃~28℃范圍,且1、2兩端電壓大于2V,控制開關(guān)開啟加熱系統(tǒng)加熱,則應(yīng)選擇的電路是,定值電阻R的阻值應(yīng)選kΩ,1、2兩端的電壓小于V時,自動關(guān)閉加熱系統(tǒng)(不考慮控制開關(guān)對電路的影響)。

跟蹤訓(xùn)練1.某同學(xué)利用熱敏電阻自制了一個簡易溫度計,其內(nèi)部電路裝置如圖甲所示,使用的器材有:直流電源(E=4.5V,內(nèi)阻不計)、毫安表(量程未知)、電阻箱R(最大阻值為999.9Ω)、熱敏電阻一個、開關(guān)S1和S2、導(dǎo)線若干。(1)為了確定毫安表的量程和內(nèi)阻,先把電阻箱的阻值調(diào)到最大,然后將開關(guān)S2接至a端,閉合開關(guān)S1,逐漸調(diào)節(jié)電阻箱的阻值,發(fā)現(xiàn)當(dāng)毫安表指針剛好偏轉(zhuǎn)至滿偏刻度的12處,電阻箱的示數(shù)如圖乙所示,此時電阻箱的阻值R=Ω。將電阻箱的阻值調(diào)為540.0Ω時,毫安表指針剛好偏轉(zhuǎn)至滿偏刻度的34處,由此知毫安表的滿偏電流Ig=mA,內(nèi)阻Rg=Ω(后兩問計算結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(2)將開關(guān)S2接至b端,閉合開關(guān)S1,該溫度計可開始工作,為了得到攝氏溫度與電流之間的關(guān)系,該同學(xué)通過查閱資料,發(fā)現(xiàn)自己使用的熱敏電阻為負溫度系數(shù)熱敏電阻,其阻值在測量范圍(包括0℃)內(nèi)隨攝氏溫度的降低而線性增加,比例系數(shù)為k(k<0),已知該電阻在0℃時的阻值為R0,則該簡易溫度計所測攝氏溫度t與電流I之間滿足t=(用E、k、R0、Rg、I表示)。

考點二用光傳感器設(shè)計控制電路例2(2024·河北卷,12)某種花卉喜光,但陽光太強時易受損傷。某興趣小組決定制作簡易光強報警器,以便在光照過強時提醒花農(nóng)。該實驗用到的主要器材如下:學(xué)生電源、多用電表、數(shù)字電壓表(0~20V)、數(shù)字電流表(0~20mA)、滑動變阻器R(最大阻值50Ω,1.5A)、白熾燈、可調(diào)電阻R1(0~50kΩ)、發(fā)光二極管LED、光敏電阻RG、NPN型三極管VT、開關(guān)和若干導(dǎo)線等。(1)判斷發(fā)光二極管的極性使用多用電表的“×10k”電阻擋測量二極管的電阻。如圖甲所示,當(dāng)黑表筆與接線端M接觸、紅表筆與接線端N接觸時,多用電表指針位于表盤中a位置(見圖乙);對調(diào)紅、黑表筆后指針位于表盤中b位置(見圖乙)。由此判斷M端為二極管的(選填“正極”或“負極”)。

(2)研究光敏電阻在不同光照條件下的伏安特性①采用圖丙中的器材進行實驗,部分實物連接已完成。要求閉合開關(guān)后電壓表和電流表的讀數(shù)從0開始。導(dǎo)線L1、L2和L3的另一端應(yīng)分別連接滑動變阻器的、、接線柱(以上三空選填接線柱標(biāo)號“A”“B”“C”或“D”)。

②圖丁為不同光照強度下得到的光敏電阻伏安特性曲線,圖中曲線Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ對應(yīng)光敏電阻受到的光照由弱到強。由圖像可知,光敏電阻的阻值隨其表面受到光照的增強而(選填“增大”或“減小”)。

(3)組裝光強報警器電路并測試其功能圖戊為利用光敏電阻、發(fā)光二極管、三極管(當(dāng)b、e間電壓達到一定程度后,三極管被導(dǎo)通)等元件設(shè)計的電路。組裝好光強報警器后,在測試過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)照射到光敏電阻表面的光強達到報警值時,發(fā)光二極管并不發(fā)光,為使報警器正常工作,應(yīng)(選填“增大”或“減小”)可調(diào)電阻R1的阻值,直至發(fā)光二極管發(fā)光。

跟蹤訓(xùn)練2.(2025·安徽合肥模擬)城市街道的路燈常用光敏電阻作為傳感器控制路燈電路的開關(guān)實現(xiàn)自動控制,光敏電阻的阻值隨照度變化的曲線如圖甲所示(照度反應(yīng)光的強弱,光越強,照度越大,照度單位為lx)。(1)該同學(xué)首先利用多用電表歐姆“×100”擋粗測該光敏電阻在某狀態(tài)下的阻值,示數(shù)如圖乙所示,則此時光敏電阻的阻值R1=Ω。

(2)利用光敏電阻作為傳感器,借助電磁開關(guān),可以實現(xiàn)路燈自動在白天關(guān)閉,在夜晚打開。為模擬自動照明控制系統(tǒng),某同學(xué)選用圖丙所示的路燈自動控制的模擬電路圖,用直流電路給電磁鐵供電作為控制電路,用220V交流電源給路燈供電。為了實現(xiàn)根據(jù)光照情況控制路燈通斷,請用筆畫線代替導(dǎo)線,正確連接電路圖。(3)圖中直流電源的電動勢為15V,內(nèi)阻忽略不計,電磁鐵線圈電阻為400Ω,滑動變阻器有三種規(guī)格可供選擇:R1(0~100Ω)、R2(0~1500Ω)、R3(0~3000Ω),當(dāng)線圈中的電流大于或等于2mA時,繼電器的銜鐵將被吸合。要求天色漸暗照度降低至20lx時點亮路燈,滑動變阻器應(yīng)選擇(選填“R1”“R2”或“R3”)。

(4)小明同學(xué)想利用丙圖為自己家的車庫設(shè)計自動開門裝置,當(dāng)車燈照到光敏電阻上時,開門電動機啟動打開車庫的門。開門電動機應(yīng)連接在接線柱上(選填“A、B”“B、C”或“A、C”)。

考點三用其他傳感器設(shè)計的控制電路例3(2024·全國甲卷,23)電阻型氧氣傳感器的阻值會隨所處環(huán)境中的氧氣含量發(fā)生變化。在保持流過傳感器的電流(即工作電流)恒定的條件下,通過測量不同氧氣含量下傳感器兩端的電壓,建立電壓與氧氣含量之間的對應(yīng)關(guān)系,這一過程稱為定標(biāo)。一同學(xué)用圖(a)所示電路對他制作的一個氧氣傳感器定標(biāo)。實驗器材有:裝在氣室內(nèi)的氧氣傳感器(工作電流1mA)、毫安表(內(nèi)阻可忽略)、電壓表、電源、滑動變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線若干、5個氣瓶(氧氣含量分別為1%、5%、10%、15%、20%)。完成下列實驗步驟并填空:(1)將圖(a)中的實驗器材間的連線補充完整,使其能對傳感器定標(biāo)。(2)連接好實驗器材,把氧氣含量為1%的氣瓶接到氣體入口。(3)把滑動變阻器的滑片滑到端(選填“a”或“b”),閉合開關(guān)。

(4)緩慢調(diào)整滑動變阻器的滑片位置,使毫安表的示數(shù)為1mA,記錄電壓表的示數(shù)U。(5)斷開開