实验传感器的简单使用

实验十二传感器的简单使用第十章交变电流传感器实验分析与导引一、设计实验【实验目的】1．认识热敏电阻、光敏电阻等传感器的特性．2．了解传感器在技术上的简单应用．【实验原理】传感器是将它感受到的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)．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．例如，光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号，热电传感器是利用热敏电阻或金属热电阻将温度信号转换成电信号，转换后的信号经过电子电路的处理就可以达到方便检测、自动控制、遥控等各种目的了．传感器工作的原理可用图10－3－1表示：图10－3－1【实验器材】热敏电阻，光敏电阻，多用电表，铁架台，烧杯，冷水，热水，小灯泡，学生电源，继电器，滑动变阻器，开关，导线等．【实验步骤】1．研究热敏电阻的热敏特性(1)按图10－3－2所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；图10－3－2(2)把多用电表置于“欧姆挡”，并选择适当的量程测出烧杯中没有热水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数；(3)向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值；(4)将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录．2．研究光敏电阻的光敏特性(1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图10－3－3所示的电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡；图10－3－3(2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；(3)打开电源，让小灯泡发光，调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录；(4)用手掌(或黑纸)遮光时电阻值又是多少？并记录．二、数据处理1．研究热敏电阻的热敏特性(1)根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入下表中，分析热敏电阻的特性.次数待测量123456温度(℃)电阻(Ω)(2)在图10－3－4坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线．图10－3－4(3)根据实验数据和R－t图线，得出结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大．2．研究光敏电阻的光敏特性把记录的结果填入下表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性.光照强度弱中强无光照射阻值(Ω)结论：光敏电阻的阻值被光照射时发生变化，光照增强电阻变小，光照减弱电阻变大．三、注意事项1．在做验证热敏特性实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温．2．光敏实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的强度．3．欧姆表每次换挡后都要重新调零．四、其他常见传感器及其应用1．力电传感器力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号(位移、速度、加速度等)转化为电学信号(电压、电流等)的仪器．力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等．2．热电传感器(温度传感器)热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小(金属热敏电阻的电阻率随温度的升高而增大)的原理制成的，它能把温度这个热学量转换为电压这个电学量．如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等．3．光电传感器光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管．

光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小的．光敏电阻能够把光强度这个光学量转换为电阻这个电学量．它就像人的眼睛，可以看到光线的强弱．

自动冲水机、路灯的控制、鼠标器、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理．4．磁电传感器——霍尔元件的应用霍尔元件能够把磁感应强度(磁学量)转换为电压(电学量)．一、力电传感器的应用

(2012·山东济宁联考)有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图10－3－5中的虚线所示，它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一典例透析与示范例1个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(其实质是电流表)．其中AO∶BO＝5∶1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：图10－3－5压力F/N050100150200250300……电阻R/Ω300270240210180150120……设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.68V，则：(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20mA，这个人的体重是多少？【解析】

(1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F(Ω)．(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为0，由表可知，此时压力传感器的电阻R1＝300Ω，电路中的电流由R＝300－0.6F，算得F2＝110N，再由F2·AO＝G·BO得G＝550N.【答案】

(1)R＝300－0.6F(Ω)

(2)15.6mA

(3)550N【规律总结】本题关键是理解传感器是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．题中的力电转换器是将重力这个物理学量转换成电流，通过电流表来显示的，通过一定的关系完成两者的转换．二、光电传感器的应用例2为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统．光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)．某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表：照度(lx)0.20.40.60.81.01.2电阻(kΩ)754028232018(1)根据表中数据，请在给定的坐标系如图10－3－6中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点．图10－3－6(2)如图10－3－7所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路．给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图．(不考虑控制开关对所设计电路的影响)图10－3－7提供的器材如下：光敏电阻RP(符号

，阻值见上表)；直流电源E(电动势3V，内阻不计)；定值电阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限选其中之一并在图中标出)；开关S及导线若干．【解析】

(1)描绘图象应注意不在图线上各点均匀分布在图线两侧，且图线应用平滑曲线，而不能成为各点的连线．图线为曲线都是非线性变化．(2)根据串联电阻的正比分压关系，E＝3V，当照度降低至1.0(lx)时，其电压升至2V，由图线知，此时光敏电阻RP【答案】

(1)光敏电阻的阻值随光照强度变化的曲线如图10－3－8所示．特点：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小．图10－3－8(2)电路图如图10－3－9所示．图10－3－9三、创新实验例3

(2010·高考大纲全国卷Ⅱ)如图10－3－10，一热敏电阻RT放在控温容器M内：A为毫安表，量程6mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9Ω；S为开关．已知RT在95℃时的阻值为150Ω，在20℃时的阻值约为550Ω.现要求在降温过程中测量在95℃～20℃之间的多个温度下RT的阻值．图10－3－10(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图．(2)完成下列实验步骤中的填空．①依照实验原理连接电路图．②调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95℃.③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全．④闭合开关．调节电阻箱，记录电流表示数I0，并记录________．⑤将RT的温度降为T1(20℃<T1<95℃)，调节电阻箱，使得电流表的读数________，记录________．⑥温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1＝__________________________________________________________________.⑦逐步降低T1的数值，直至20℃为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.【解析】

(1)实验原理电路图，如图10－3－11所示．(2)要求出在不同温度下RT的阻值，在闭合电路中读出电流表的示数，然后记录电阻箱的读数R0，由闭合电路欧姆定律有：E＝I0(RT＋R0＋r)＝I0(150Ω＋R0＋r)①改变RT的温度为T1，