利用传感器制作简单的自动控制装置(学生版)

实验十五利用传感器制作简单的自动控制装置[选择性必修第二册]1.阅读教材第五章第一节“神奇的传感器”这一内容，认识传感器的工作原理。2.阅读教材第五章第一节“传感器的组成与应用模式”这一内容，知道传感器的应用模式。3.阅读教材第五章第2节的内容，请你总结出光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻的特性。4.阅读教材第五章第3节的内容，理解门窗防盗报警装置、光控开关的设计原理。5.请完成教材第五章第2节【练习与应用】T3。6.请完成教材第五章第3节【练习与应用】T3。考点一热敏电阻的特性及应用一、热敏电阻1.热敏电阻热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻，如图甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。2.金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线．3.作用热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。二、研究热敏电阻的热敏特性1.实验步骤(1)按如图所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理。(2)(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。2.数据处理(1)根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入表中，分析热敏电阻的特性。(2)在坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。(3)根据实验数据和R­t图线，得出结论。3.注意事项在做本实验时，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。某实验小组进行“探究热敏电阻的温度特性”实验，实验室提供如下器材：热敏电阻Rt(常温下约8kΩ)、温度计、电流表A(量程1mA，内阻约200Ω)、电压表V(量程3V，内阻约10(1)根据实验所提供的器材，设计实验电路，画在图甲所示的方框中。(2)(3)闭合开关前，滑动变阻器的滑动触头P应置于________(填“a”或“b”)端。(4)实验小组利用正确连接的实验装置测量出不同温度下的电阻值，画出该热敏电阻的Rt­t图像如图丙中的实测曲线，与图中理论曲线相比二者有一定的差异。除了偶然误差外，关于产生系统误差的原因或减小系统误差的方法，下列说法中正确的是________。A.电流表的分压造成电阻的测量值总比真实值大B.电压表的分流造成电阻的测量值总比真实值小C.温度升高到一定值后，电流表宜采用外接法D.温度升高到一定值后，电流表宜采用内接法(2022·湖北省黄冈市蕲春县实验高中模拟训练)如图所示，图甲为热敏电阻的Rt图像，图乙为用此热敏电阻和继电器组成的一简易温控开关，继电器的电阻为60Ω。当继电器电流超过10mA时，衔铁吸合，加热器停止加热，实现温控。为继电器线圈供电的电池E的内阻不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。(1)提供以下实验器材：电源E1(3V)，电源E2(6V)，滑动变阻器R1(0～20Ω)，滑动变阻器R2(0～220Ω)，为使该装置实现对20～60℃之间任意温度的控制，电源应选________(选填“E1”或“E2”)；滑动变阻器应选________(选填“R1”或“R2”)。(2)为了实现恒温箱系统保持温度为40℃，实验时进行了以下操作：①断开开关，滑动变阻器调节至________(选填“最大”或“最小”)，需将电阻箱调到一固定的阻值________Ω；②将单刀双掷开关向c端闭合；③缓慢调节滑动变阻器的阻值观察到继电器的衔铁恰好被吸合；④保持滑动变阻器的位置不变，将单刀双掷开关向另一端闭合，恒温箱系统正常工作；(3)若恒温箱系统要保持温度为40℃，则需把滑动变阻器调节到________Ω；若恒温箱系统要保持温度为35℃，则滑动变阻器正常工作时须向________(选填“左”或“右”)移动滑动触头。处理热敏电阻类的问题时，首先要根据题中信息确定电阻随温度的变化趋势，其次需要结合电路的相关知识去综合分析并得出结论，最后要注意电阻随温度的变化是否为线性关系。1.(2022·重庆高考)某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系。实验电路如图所示，实验设定恒定电流为50.0μA，主要实验器材有：恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V。(1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为50.0μA，须调节____________(选填一种给定的实验器材)。当RT两端未连接电压表时，电流表示数为50.0μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，须将原电压表更换为内阻________(选填“远大于”“接近”“远小于”)RT阻值的电压表。(2)测得RT两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从35.0℃变化到40.0℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是________kΩ·℃－1(保留2位有效数字)。2.现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9Ω)，直，单刀双掷开关一个，导线若干。在室温下对系统进行调节。已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，当温度为60℃时阻值为650.0Ω。(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。(2)电路中应选用滑动变阻器________(选填“R1”或“R2”)。(3)按照下列步骤调节此报警系统：①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(选填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________。②将开关向________(选填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至________________。(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。考点二光敏电阻的特性及应用一、光敏电阻1.特点：光照越强，电阻．2.原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能；随着光照的，载流子增多，导电性．3.作用：把这个光学量转换为这个电学量．二、研究光敏电阻的光敏特性1.实验步骤(1)(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，观察表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。(4)用手掌(或黑纸)遮光时，观察表盘指针显示光敏电阻阻值的情况，并记录。2.数据处理根据记录数据分析光敏电阻的特性。3.注意事项本实验中，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多少。某同学为定性探究光敏电阻阻值随光照强度变化的关系，设计了如图a所示的电路。所用器材有：置于暗箱(图中虚线区域)中的光敏电阻RG、小灯泡和刻度尺；阻值为R的定值电阻；理想电压表V；电动势为E、内阻为r的电源；开关S；导线若干。实验时，先按图a连接好电路，然后改变暗箱中光源到光敏电阻的距离d，记录电压表的示数U，获得多组数据如下表。d/cmU/mVd/cmU/mV回答下列问题：(1)光敏电阻阻值RG与电压表示数U的关系式为RG＝________________(用E、r、R、U表示)。(2)在图b的坐标纸上补齐数据表中所给的第二组数据点，并作出U­d曲线。(3)依据实验结果可推断：光敏电阻的阻值随着光照强度的减小而______(填“增大”或“减小”)。(4)该同学注意到智能有自动调节屏幕亮度的功能，光照强度大时屏幕变亮，反之变暗。他设想利用光敏电阻的特性，实现“有光照射光敏电阻时，小灯泡变亮；反之变暗”的功能，设计了如图c所示的电路，则电路中________(填“R1”或“R2”)为光敏电阻，另一个为定值电阻。为了节能和环保，一些公共场所用光控开关控制照明系统，光控开关可用光敏电阻控制，如图甲所示是某光敏电阻阻值随光的照度变化曲线，照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为：勒克斯(lx)。(1)如图乙所示，电源电动势为3V，内阻不计，当控制开关两端电压上升至2V时控制开关自动启动照明系统。要求当天色渐暗照度降至1.0(lx)时控制开关接通照明系统，则R1＝________kΩ。(2)某同学为了测量光敏电阻在不同照度下的阻值，设计了如图丙所示的电路进行测量，电源(E＝3V，内阻未知)，电阻箱(0～99999Ω)。实验时将电阻箱阻值置于最大，闭合S1，将S2与1相连，减小电阻箱阻值，使灵敏电流计的示数为I，图丁为实验时电阻箱的阻值，其读数为________kΩ；然后将S2与2相连，调节电阻箱的阻值如图戊所示，此时电流表的示数恰好为I，则光敏电阻的阻值为________kΩ(结果保留3位有效数字)。(1)光敏电阻可能的工作原理：半导体受光照，电阻变化。(2)热敏电阻可能的工作原理：半导体受热，电阻变化。(3)金属热电阻可能的工作原理：金属受热，电阻变化。(4)电阻应变片可能的工作原理：金属导体在外力作用下发生机械形变，电阻变化。(5)电容式位移传感器可能的工作原理：被测物体发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动，导致电容变化。1.(2023·浙江温州市二模)图中光敏电阻没有受到光照射(或光较暗)时，阻值较大；有光照射(或光较强)时，阻值较小。如图所示，现利用该光敏电阻、低压直流电源和电磁继电器设计了自动控制电路，用于公路照明。下列说法正确的是()A.白天光照越强，电磁铁的磁性越强B.白天流过的电流大于晚上流过的电流C.该电路能实现灯泡白天亮，晚上不亮的功能D.低压直流电源的总功率晚上比白天的大2.某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。(1)光强(E)是表示光强弱程度的物理量，单位为坎德拉(cd)。如图a所示是光敏电阻阻值随光强变化的图线，由此可得到的结论是：_________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)如图b为电磁继电器的构造示意图，其中L为含有铁芯的线圈，P为可绕O点转动的衔铁，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。工作时，应将________(填“A、B”或“C、D”)接照明电路。(3)请在图c中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。(4)已知电源电动势为3V，内阻很小，电磁铁线圈电阻R0＝20.0Ω，电流超过50mA时可吸合衔铁。如果要求光强达到2cd时，照明电路恰好接通，则图c中定值电阻R＝________Ω。考点三其他传感器的应用其他常见敏感元件1.电阻应变片(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量．(2)电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是应变片。(3)电子秤的工作原理eq\x(金属梁自由端受力F)⇒eq\x(金属梁发生弯曲)⇒eq\x(应变片的电阻变化)⇒eq\x(两应变片上电压的差值变化)2.霍尔元件的应用霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件．一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等．(1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)。(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。(3)霍尔电压：UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)。其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。(2023·四川遂宁市模拟)高速路入口都安装有称量汽车重量的地磅．如图甲所示是某工厂生产的小型地磅结构图和电路图，其中R是压敏电阻，质量m0＝500kg的秤台平放在压敏电阻上，被称汽车停放在秤台上．已知电路中电源电动势为26V、内电阻r＝10Ω，电流表量程为0.3A、内阻RA＝10Ω，滑动变阻器R′的最大阻值为500Ω.如图乙是压敏电阻的阻值R随压力F变化曲线．某设计人员对电流表上刻度重新赋值，使之能够从表盘上直接读出秤台上汽车的质量，他先后进行了以下操作．重力加速度g＝10m/s2.(1)断开开关S，撤去秤台上的汽车，把多用电表的旋钮旋到欧姆挡“×10挡”，通过正确调零后，用红、黑表笔接在压敏电阻两端，多用电表的表针指到如图丙所示位置，则压敏电阻R此时的电阻值为________Ω。(2)闭合开关S，设计人员通过调节滑动变阻器，使电流表读数为0.10A，并在此处标注为0kg，则此时滑动变阻器R′接入电路的电阻值为________Ω；2500kg处应标注在________A处。(3)设计人员按上述操作逐个刻度赋值后，经长时间使用，发现电池的电动势略有减小、内电阻有所增大．他重新调节滑动变阻器，使秤台空载时电流表读数仍为0.10A，然后再去测量汽车的重量。您认为现在的测量值相比汽车真实重量________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。磁敏电阻是一种对磁敏感、具有磁阻效应的电阻元件。磁敏电阻在磁场中电阻值发生变化的现象称为磁阻效应。某同学利用伏安法测量一磁敏电阻的阻值(约几千欧)随磁感应强度的变化关系。所用器材：电源E，开关S，滑动变阻器R(最大阻值为20Ω)，电压表(内阻约为3000Ω)和毫安表(可视为理想电表)。(1)在图1所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图；(2)实验时，将磁敏电阻置于待测磁场中，记录不同磁感应强度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的磁敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为6.2V和2.8mA，则此时磁敏电阻的阻值为(3)某次测量中，测得磁敏电阻的阻值为10.0kΩ，此时磁感应强度为________T(保留两位有效数字)；(4)太阳风是指从太阳上层大气射出的超声速带电粒子流，当太阳风激烈爆发时，可能会给地球带来无法预计的磁暴灾难。某同学利用实验中的磁敏电阻制作了一种搭载在人造卫星上的探测磁感应强度的报警器，其电路的一部分如图3所示。图中E为直流电源(电动势为9.0V，内阻可忽略)，当图中的输出电压达到或超过3.0V时，便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时磁感应强度为10－4T，则图中________(填“R1”或“R2”)应使用磁敏电阻，另一固定电阻的阻值应为________kΩ(保留两位有效数字)；如果要提高此装置的灵敏度(即在磁感应强度更小时就能触发报警)，应该________(填“增大”或“减小”)固定电阻的阻值。常用传感器敏感元件的特点及作用敏感元件作用特点热敏电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，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金属热电阻将温度这个热学量转换为电阻这个电学量一般情况下，金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，随温度的降低而减小光敏电阻将光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量一般情况下，光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，随光照强度的减弱而增大霍尔元件将磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量对于某个确定的霍尔元件，它的厚度d、霍尔系数k为定值，如果保持电流I恒定，则霍尔电压UH就与磁感应强度B成正比(UH＝k)压敏电阻将压力这个力学量转换为电阻这个电学量压敏电阻的阻值随力的变化而变化1.(2023·上海市模拟)力传感器是高中物理实验中常见的一种传感器，它通过敏感元件把待测力这一物理量转化为相应的电信号来进行测量．(1)如图(a)所示，R1、R2、R3、R4为四个完全相同的应变片，弹性梁在外力的作用下产生形变时，应变片随之被拉伸或压缩，拉伸时电阻值变大，压缩时电阻值变小．现将R2、R3两个应变片粘贴在弹性梁的上表面，R1、R4两个应变片粘贴在弹性梁的下表面．当弹性梁右端受力向下弯曲时，R2、R3的电阻值________，R1、R4的电阻值________(均选填“变大”“变小”或“不变”)。采用如图(b)所示的电路图测量电路，已知电源电动势为E，内阻不计．每片应变片的初始电阻为R0.当弹性梁右端受到外力作用，四个应变片电阻变化量的绝对值均为Δx，则A、B两端的电压UAB＝______。(2)如图(c)所示为半导体薄膜压力传感器的电阻值R随压力F变化的图线．读图可知，压力为1N时该图像的斜率为__________kΩ/N，压力为5N时该图像的斜率为________kΩ/N.要使传感器对力的变化测量较为灵敏，应选择在区间__________(选填“1N”或“5N”)附近。2.在实际应用中有多种自动控温装置。(1)图(a)为某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1＝2kΩ，R2＝1.5kΩ，R3＝4kΩ，Rt为热敏电阻，其电阻随温度变化的图像如图(b)所示。当a、b两点电势时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当时，电压鉴别器会使S断开，停止加热。恒温箱内的稳定温度为℃，恒温箱内的电热丝加热时Rt的取值范围为。

(2)有一种由PTC元件做成的加热器，它的热功率PR随温度t变化的图像如图(c)所示。该加热器向周围散热的功率为PQ＝k(t－t0)，其中t为加热器的温度，t0为室温(本题中取20℃)，k＝0.1W/℃。①当PR＝PQ时加热器的温度即可保持稳定，则该加热器工作的稳定温度为℃；

②某次工作中，该加热器从室温升高至稳定温度的过程中，下列温度变化过程用时最短的是。(填选项前的字母序号)

A.20～24℃B.32～36℃C.48～52℃ D.60～64℃考点四利用传感器制作简单的自动控制装置1.以传感器(热敏电阻、光敏电阻和压力传感器等)和基本电路的综合应用创新：以闭合电路的欧姆定律为主线，以热敏电阻、光敏电阻和压力传感器等为主要元件，探究电路中的电学量随温度、光照和压力等外部因素变化规律，或外部因素(温度、光照和压力等)确定时计算某些电学量。2.以基本传感器为器材的自动控制装置制作创新：外部因素(温度、光照和压力等)发生变化后，会引起传感器阻值发生变化，从而会引起电路中的电流发生变化，继电器动作，起到自动控制的作用。实验装置/原理图创新解读利用伏安法测量热敏电阻阻值随温度的变化关系利用给定的电路探究某热敏电阻的温度特性热敏电阻在电路中也是电阻，用伏安法测量出热敏电阻两端的电压和通过热敏电阻的电流，可求出瞬时阻值，再测出此时的环境温度，重复以上过程五次，测量出五组数据，将五组数据描在坐标系中，连接各点后可得阻值随温度的变化图线。根据阻值随温度的变化图线可粗略读出不同温度下热敏电阻的阻值。通过实验制作一个简易的温控装置外部因素变化→传感器阻值变化→回路电流变化→继电器或其他元件工作→自动控制完成。(2023·江西萍乡市二模)半导体薄膜压力传感器是一种常用的传感器，其阻值会随压力变化而改变。现有一压力传感器：(1)利用图甲所示的电路测量该传感器在不同压力下的阻值RN，其阻值为几十千欧，实验室提供以下器材：电源电动势为6V；电流表A(量程0～250μA，内阻约为50Ω)；电压表V(量程0～3V，内阻约为20kΩ)；滑动变阻器R(阻值0～100Ω)。为了提高测量的准确性，应该选下面哪个电路图进行测量________。(2)通过多次实验测得其阻值RN随压力F变化的关系图像如图乙所示。(3)由图乙可知，压力越大，阻值____________(选填“越大”或“越小”)，且压力小于2.0N时的灵敏度比压力大于2.0N时的灵敏度(灵敏度指电阻值随压力的变化率)______________(选填“高”或“低”)。(4)利用该压力传感器设计了图丙所示的自动分拣装置，可以将质量不同的物体进行分拣，图中RN为压力传感器，R′为滑动变阻器，电源电压为6V(内阻不计)。分拣时将质量大小不同的物体用传送带运送到托盘上，OB为一个可绕O转动的杠杆，下端有弹簧，当控制电路两端电压≤3V时，杠杆OB水平，物体水平通过进入通道1，当控制电路两端电压>3V时，杠杆的B端就会被吸下，物体下滑进入通道2，从而实现分拣功能。重力加速度g取10m/s2，若要将质量大于0.16kg的货物实现分拣，应该将R′调成________kΩ(结果保留3位有效数字)。(2022·河北卷)某物理兴趣小组利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲，设计电路如图1所示。选用的器材有：限温开关S1(手动将其按下，开始持续加热煮饭，当锅内温度高于103℃时自动断开，之后不能自动闭合)；保温开关S2(当锅内温度高于80℃时自动断开，温度低于70℃时自动闭合)；电饭煲的框架(结构如图2所示)。自备元件有：加热电阻丝R(阻值为60Ω，用于加热煮饭)；限流电阻R1和R2(阻值均为1kΩ)；指示灯L1和L2(2.5V，0.6W，当电流低于30mA时可视为熄灭)；保险丝T。(1)按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是________(多选)。A.按下S1，L1和L2均发光B.当锅内温度高于103℃时，S1自动断开，L1和L2均发光C.保温过程中，S2自动在闭合、断开状态之间交替切换D.当锅内温度低于70℃时，S2自动闭合，L1发光，L2熄灭.(2)简易电饭煲制作完成后，试用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常。在不增加元件的前提下，断开电源，使用多用电表判断发生故障的元件。下列操作步骤的正确顺序是___________(填写各步骤前的字母)。A.将选择开关旋转到“×100”位置B.将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点C.调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度D.测量指示灯L1两端的阻值E.将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡操作时，将多用电表两表笔与L1两端接触，若指针如图3所示，可判断是________断路损坏；若指针如图4所示，可判断是________断路损坏。(用电路中的元件符号表示)利用传感器制做简单的自动控制装置，关键是了解其应用场景，进行功能性分析，电路的控制分析，理解其工作过程。1.为了节能和环保，一些公共场所