實驗十四　傳感器的簡單應用一、實驗目的1．知道什么是傳感器，知道光敏電阻和熱敏電阻的作用。2．能夠通過實驗探究光敏電阻和熱敏電阻的特征。3．了解常見的各種傳感器的工作原理、元件特性及設計方案。二、實驗原理傳感器是將它所感受到的物理量(如力、熱、光、聲等)轉換成便于測量的量(一般是電學量)的一類元件。例如：熱電傳感器是利用熱敏電阻將熱信號轉換成電信號；光電傳感器是利用光敏電阻將光信號轉換成電信號，轉換后的信號經過相應的儀器進行處理，就可達到自動控制等各種目的。三、實驗器材鐵架臺，溫度計，多用電表，燒杯，開水(可裝在熱水瓶內)，冷水，熱敏電阻，光敏電阻，導線，紙帶，光電計數(shù)器，鉤碼。四、實驗步驟1．熱敏電阻特性實驗：如圖所示。①在燒杯內倒入少量冷水，放在鐵架臺上，將懸掛在鐵架臺上的溫度計放入水中。②將多用電表的選擇開關置于“歐姆”擋，將兩支表筆短接，調零后再將兩支表筆分別與熱敏電阻的兩個輸出端相連。③將熱敏電阻放入燒杯內的水中，在歐姆擋上選擇合適的倍率，再重新調零，把兩支表筆接到熱敏電阻兩輸出端，觀察表盤指示的熱敏電阻的阻值，填入表格內。實驗記錄：實驗次數(shù)123456溫度/℃      電阻/Ω      ④分幾次向燒杯內倒入開水，觀察不同溫度時熱敏電阻的阻值，記錄在表格內。⑤通過比較這些測得的數(shù)據，看看熱敏電阻的阻值是怎樣隨溫度變化的。⑥將多用電表的選擇開關置于交流電壓最高擋或“OFF”擋，拆開裝置，將器材按原樣整理好。2．光敏電阻特性實驗：如圖所示。①將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，選擇合適的倍率，將兩支表筆短接后調零。②把多用電表的兩支表筆接到光敏電阻的兩個輸出端，觀察表盤指示的光敏電阻的阻值，記錄下來。③將手張開放在光敏電阻的上方，擋住照到光敏電阻上的部分光線，觀察表盤所示光敏電阻阻值的變化，記錄下來。④上下移動手掌，觀察光敏電阻阻值的變化。⑤將多用電表的選擇開關置于交流電壓最高擋或“OFF”擋，拆開裝置，將器材按原樣整理好。3．光電計數(shù)的基本原理將鉤碼放在紙帶上，如圖所示。拖動紙帶向前運動，觀察光電計數(shù)器上的數(shù)字變化。4．簡單自動控制實驗請同學們自己設計一個由熱敏電阻或光敏電阻作為傳感器的簡單自動控制實驗。五、注意事項1．在做熱敏實驗時，加開水后要等一會再測其阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時讀出水溫。2．可用圖像描出電阻隨溫度的變化圖像來分析其規(guī)律。3．光敏實驗中，如果效果不明顯，可將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。4．光電計數(shù)器是比較精密的儀器，使用過程中注意輕拿輕放。核心考點·重點突破HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO考點一　用溫度傳感器設計控制電路例1　現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60℃時，系統(tǒng)報警。提供的器材有：熱敏電阻，報警器(內阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警)，電阻箱(最大阻值為999.9 Ω)，直流電源(輸出電壓為U，內阻不計)，滑動變阻器R1(最大阻值為1 000 Ω)，滑動變阻器R2(最大阻值為2 000 Ω)，單刀雙擲開關一個，導線若干。在室溫下對系統(tǒng)進行調節(jié)。已知U約為18 V，Ic約為10 mA；流過報警器的電流超過20 mA時，報警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60℃時阻值為650.0 Ω。(1)完成待調節(jié)的報警系統(tǒng)原理電路圖的連線。(2)電路中應選用滑動變阻器R2(選填“R1”或“R2”)。(3)按照下列步驟調節(jié)此報警系統(tǒng)：①電路接通前，需將電阻箱調到一固定的阻值，根據實驗要求，這一阻值為650.0 Ω；滑動變阻器的滑片應置于b(選填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是接通電源后，流過報警器的電流會超過20 mA，報警器可能損壞。②將開關向  c (選填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至報警器開始報警。(4)保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關向另一端閉合，報警系統(tǒng)即可正常使用。[解析]　(1)電路圖連接如圖。(2)報警器開始報警時，對整個回路有 U＝Ic(R滑＋R熱)代入數(shù)據可得R滑＝1 150.0 Ω，因此滑動變阻器應選擇R2。(3)①在調節(jié)過程中，電阻箱起到等效替代熱敏電阻的作用，電阻箱的阻值應為報警器報警時熱敏電阻的阻值，即為650.0 Ω?；瑒幼冏杵髟陔娐分袨橄蘖鹘臃ǎ瑧糜赽端附近，若置于另一端a時，閉合開關，則電路中的電流I＝ A≈27.7 mA，超過報警器最大電流20 mA，報警器可能損壞。②開關應先向c端閉合，移動滑動變阻器的滑片，直至報警器開始報警為止。考點二　用光傳感器設計控制電路例2　為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統(tǒng)。光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)。某光敏電阻Rp在不同照度下的阻值如下表：照度/lx0.20.40. 60.81.01.2電阻/kΩ754028232018(1)根據表中數(shù)據，請在圖甲給定的坐標系中描繪出光敏電阻阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點。(2)如圖乙所示，當1、2兩端所加電壓上升至2 V時，控制開關自動啟動照明系統(tǒng)，請利用下列器材設計一個簡單電路。給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗照度降低至1.0 lx時啟動照明系統(tǒng)，在虛線框內完成電路原理圖。(不考慮控制開關對所設計電路的影響)提供的器材如下：光敏電阻Rp(符號，阻值見圖表)；直流電源E(電動勢3 V，內阻不計)；定值電阻：R1 ＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3 ＝40 kΩ(限選其中之一并在圖中標出)；開關S及導線若干。[答案]　(1)光敏電阻的阻值隨光照變化的曲線如圖甲所示，光敏電阻的阻值隨光的照度的增大非線件減小(2)電路原理圖見圖乙[解析]　(1)根據表中的數(shù)據，在坐標紙上描點連線，得到如答案中所示的變化曲線。阻值隨照度變化的特點：光敏電阻的阻值隨光的照度的增大非線性減小。(2)因天色漸暗照度降低至1.0 lx時啟動照明系統(tǒng)，此時光敏電阻阻值為20 kΩ，兩端電壓為2 V，電源電動勢為3 V，故應串聯(lián)一個分壓電阻，分壓電阻阻值為10 kΩ，即選用R1；此電路的原理圖見答案。考點三　實驗拓展應用除了熱敏電阻和光敏電阻外，還有一些常用的傳感器元件如下：1．壓敏電阻：將壓力轉換為電學量(電阻)。2．氣敏電阻：將氣體濃度轉換電學量(電阻)。3．光電管：將所收到的光信號轉換成電信號。4．電容器：將位移、角度、壓力轉換為電學量(電容)。5．霍爾元件：將磁感應強度轉換為電學量(電壓)。6．彈簧：將彈力、加速度轉換為電學量(電流)。例3　傳感器是把非電學量(如速度、溫度、壓力等)的變化轉換成電學量的變化的一種元件，在自動控制中有著相當廣泛的應用。有一種測量人的體重的電子秤，其測量部分的原理圖如圖中的虛線框所示，它主要由壓力傳感器R(電阻值會隨所受壓力大小發(fā)生變化的可變電阻)和顯示體重大小的儀表 (實質是理想電流表)組成。壓力傳感器表面能承受的最大壓強為1×107 Pa，且已知壓力傳感器的電阻R與所受壓力的關系如表所示。設踏板和壓桿的質量可以忽略不計，接通電源后，壓力傳感器兩端的電壓恒為4.8 V，g取10 m/s2。請作答：壓力 F/N0250500750100012501500…電阻R/Ω300270240210180150120…(1)該秤零點(即踏板空載時)的刻度線應標在電流表刻度盤1.6×10－2 A處。(2)如果某人站在該秤踏板上，電流表刻度盤的示數(shù)為20 mA，這個人的質量是50kg。[解析]　(1)由題表格知，踏板空載時，壓力傳感器的電阻R＝300 Ω，此時電流表中電流I＝＝ A＝1.6×10－2 A。(2)當電流I′＝20 mA＝2×10－2 A時，壓力傳感器的電阻R′＝＝ Ω＝240 Ω，由表格可知，這個人受到的重力為500 N，此人質量為50 kg。〔變式訓練〕(多選)霍爾傳感器測量轉速的原理圖如圖所示，傳感器固定在圓盤附近，圓盤上固定4個小磁體。在a、b間輸入方向由a到b的恒定電流，圓盤轉動時，每當磁體經過霍爾元件，傳感器c、d端輸出一個脈沖電壓，檢測單位時間內的脈沖數(shù)可得到圓盤的轉速。關于該測速傳感器，下列說法中正確的是(　CD　)A．在圖示位置時刻d點電勢低于c點電勢B．圓盤轉動越快，輸出脈動電壓峰值越高C．c、d端輸出脈沖電壓的頻率是圓盤轉速的4倍D．增加小磁體個數(shù)，傳感器轉速測量更準確[解析]　霍爾元件有電子或空穴導電，根據左手定則，載流子向上表面偏轉，即c點，所以c點電勢低于d點，故A 項錯誤；最終電子在電場力和洛倫茲力的作用下處于平衡，設霍爾元件的長寬厚分別為a、b、c，有q＝qvB，所以U＝Bbv，輸出脈沖電壓的峰值與圓盤轉動快慢無關，故B項錯誤；當小磁體靠近霍爾元件時，就是會產生一個脈沖電壓，因此c、d端輸出脈沖電壓的頻率是圓盤轉動頻率的4倍，即為轉速的4倍，故C項正確；當增加小磁體個數(shù)，傳感器c、d端輸出一個脈沖電壓頻率變高，那么傳感器轉速測量更準確，故D項正確。2年高考·1年模擬2 NIAN GAO KAO 1 NIAN MO NI1．(2020·上海黃浦區(qū)調研)如圖所示，用力傳感器A、B共同支起一個質量為m的光滑球。其中A對球的作用力方向與水平方向間夾角始終為30°，B對球的作用力方向可調，為使球保持平衡，傳感器B對球作用力的作用點所在范圍為②③   (在區(qū)域①、②、③、④、⑤中選填)，作用力的最小值為mg。(重力加速度為g)[解析]　以球為研究對象，受重力mg和力傳感器A對它的支持力FA及力傳感器B對它的作用力FB，如圖所示，為使球保持平衡，根據平行四邊形定則可知，傳感器B對球作用力的作用點所在范圍應在②③區(qū)域內。當傳感器B對球的作用力FB與傳感器A對它的支持力FA垂直的時候，傳感器B對球的作用力最小，最小值為FB＝gcos 30°＝mg。2．(2020·北京模擬)如圖甲為某熱敏電阻阻值隨溫度變化的圖像，其中溫度在－30 ℃～100 ℃之間變化。某同學用該熱敏電阻RT制作測溫裝置。為實現(xiàn)測溫，他根據伏安法測量熱敏電阻阻值，然后根據圖像讀出溫度。為測量北京冬季室外溫度，可供使用的器材有：電壓表V1(量程為0～3 V，內阻約為5 kΩ)；電壓表V2(量程為0～5 V，內阻約為10 kΩ)；電流表A1(量程為0～10 mA，內阻約為100 Ω)；電流表A2(量程為0～200 μA，內阻約為1 000 Ω)；電源(電動勢為3 V，內阻不計)；滑動變阻器R(最大阻值為20 Ω)；開關S；導線若干。甲(1)綜合以上信息，請你幫助該實驗小組設計出科學合理的測量熱敏電阻阻值的電路圖，其中電壓表應選用V1(填“V1”或“V2”)，電流表應選用A2(填“A1”或“A2”)，將測量電路圖畫在方框內。[答案](2)根據熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特點，可以制成測溫儀表，某同學設計了如圖乙所示電路，電路元件有電源(電動勢為3 V，內阻不計)、毫安表(量程0～1.5 mA、內阻不計)、滑動變阻器(R1最大阻值2 kΩ、R2最大阻值500 Ω)、開關、導線。實驗中選用的滑動變阻器為R1(填“R1”或“R2”)，使用時先使A、B直接接在一起，調整滑動變阻器，使毫安表達到滿偏，在毫安表此位置標注溫度約為100(90～105均正確)℃，此后滑動變阻器阻值不改變。接入熱敏電阻，不同溫度對應表盤溫度，則越靠近刻度盤右端表示的溫度越高(填“高”或“低”)。毫安表示數(shù)為0.15 mA處溫度約為－4 ℃。乙[解析]　(1)冬季北京室外溫度約零下10攝氏度，熱敏電阻阻值約24 kΩ，是大電阻，電源電動勢確定，則最大電流I＝＝125 μA，電壓表選擇V1，電流表選擇A2，并采用電流表內接法測電阻，電路圖如答案圖所示。(2)毫安表需要達到滿偏，所以回路電阻R＝＝2 000 Ω，所以滑動變阻器選擇R1；當A、B接在一起，相當于熱敏電阻阻值為零，此時溫度約為100 ℃；根據閉合電路歐姆定律I＝，電流小RT大，說明溫度低，所以電流大說明溫度高。根據前面公式，當I＝0.15 mA時，RT＝18 kΩ，根據圖像，溫度約為－4℃。    

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