第61讲利用传感器制作简单的自动控制装置（讲义）

第61讲利用传感器制作简单的自动控制装置目录复习目标网络构建考点实验目的、器材、原理、步骤、注意事项、误差分析【夯基·必备基础知识梳理】知识点实验目的、器材、原理、步骤、注意事项、误差分析【提升·必考题型归纳】考向1实验原理与操作考向2数据处理与误差分析真题感悟理解和掌握各类传感器的特点，并会处理有关传感器的电路问题，做出必要的误差分析。考点要求考题统计考情分析利用传感器制作简单的自动控制装置2023年湖南卷12题各地高考对利用传感器制作简单的自动控制装置的考查非常少，但会在电学实验中涉及到光敏电阻等传感器件的考查。考点一实验目的、器材、原理、步骤、注意事项、误差分析知识点实验目的、器材、原理、步骤、注意事项、误差分析1．实验目的(1)了解传感器的工作过程，探究敏感元件的特性。(2)学会传感器的简单使用。2．实验原理(1)传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。(2)其工作过程如下图所示。3．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。4．误差分析误差主要来源于温度计和欧姆表的读数。5．注意事项(1)在做热敏实验时，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，可将光敏电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光的多少。(3)欧姆表每次换挡后都要重新进行电阻调零。考向1实验原理与操作1．传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量（如温度、光、声等）转换成便于测量的量（电学量），例如热敏传感器。某热敏电阻RT阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器线路图。问：

（1）为了使温度过高时报警器响铃，c应接在（选填“a”或“b”）处。（2）若要使启动报警的温度降低些，应将滑动变阻器的滑片P向移动（选填“左”或“右”)。（3）如果在调试报警器报警温度时，发现将报警器放在预定的报警温度的环境时，报警器一直报警，无论如何调节滑动变阻器的滑片P，报警器都一直报警，可能的原因和解决的办法是。【答案】a右在预定的报警温度的环境时该热敏电阻RT和滑动变阻器的总电阻之和过小，可以换一个阻值大一点的滑动变阻器【详解】（1）[1]由题图甲可知，热敏电阻RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁性增强，把右侧衔铁吸引过来，与a接触，故c应接在a处。（2）[2]若要使启动报警的温度降低些，热敏电阻的阻值增大，滑动变阻器的滑片P向右移动。（3）[3]在预定的报警温度的环境时该热敏电阻RT和滑动变阻器的总电阻之和过小，电流过大，可以换一个阻值大一点的滑动变阻器。2．为了节能环保，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）。（1）某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表，根据表中已知数据，在如图甲的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。由图像可求出照度为0.6lx时的电阻约为kΩ。照度/lx0.20.40.60.81.01.2电阻/kΩ5.83.72.32.01.8（2）如图乙，是街道路灯自动控制设计电路，利用直流电源为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在（填“AB”或“BC”）之间。（3）用多用电表“×10Ω”挡，按正确步骤测量图乙中电磁铁线圈电阻时，指针示数如图丙，则线圈的电阻为Ω；已知当线圈中的电流大于或等于2mA时，继电器的衔铁将被吸合，图乙中直流电源的电动势E＝6V，内阻忽略不计，滑动变阻器有两种规格可供选择：R1（0～200Ω，1A）、R2（0～2000Ω，0.1A）。要求天色渐暗照度降低至1.0lx时点亮路灯，滑动变阻器应选择（填“R1”、“R2”）。为使天色更暗时才点亮路灯，应适当将滑动阻变阻器的滑片向（填“左”或“右”）端移动。【答案】2.7kΩ（2.6kΩ~2.8kΩ）AB140ΩR2左【详解】（1）[1]从图像上可以看出当照度为0.6lx时的电阻约为（2.6kΩ~2.8kΩ）；（2）[2]当天亮时，光敏电阻的阻值变小，所以回路中电流增大，则衔铁被吸下来，此次触片和下方接触，此时灯泡应该熄灭，说明灯泡接在了AB上。（3）[3][4][5]根据欧姆表的读数规则，所以电阻值为回路中的电流为2mA时回路中的需要中电阻所以选择滑动变组器比较合理。若要求天色渐暗照度降低至1.01x时点亮路灯，则天色更暗时光明电阻更大，要先保证回路中的电流2mA不变，则应减小滑动变阻器的阻值，即向左滑动滑动变阻器。考向2数据处理与误差分析3．2022年丹东交警某次拦截进行例行检查过程中，用酒精检测仪进行检测，结果显示驾驶人小王驾驶小型轿车，体内酒精含量为，属于“酒驾”；而另一位小李驾驶二轮摩托车，体内酒精含量为，属于“醉驾”。现代社会，喝酒不开车已经成为基本行为准则。某款酒精检测仪如图甲所示，核心部件为酒精气体传感器，其电阻与酒精气体浓度的关系如图乙所示。某同学想利用该酒精气体传感器设计一款酒精检测仪，除酒精气体传感器外，在实验室中找到了如下器材：A．蓄电池（电动势，内阻）B．表头（满偏电流，内阻未知）C．电流表（满偏电流，内阻未知）D．电阻箱（最大阻值）E.电阻箱（最大阻值）F.电键及导线若干（1）该同学设计的测量电路如图丙所示，为将表头的量程扩大为原来的10倍，他进行了如下操作：先断开电键、、，将、调到最大值。合上电键，将拨到2处，调节，使表头满偏，电流表示数为。此时合上电键，调节和，当电流表仍为时，表头示数如图丁所示，此时为，则改装电表时应将调为，改装结束后断开所有电键。（2）该同学若将图中电键、合上，而将拨到1处，电阻箱的阻值调为，酒精气体浓度为零时，表头的读数为。（3）完成步骤（2）后，某次在实验室中测试酒精浓度时，表头指针指向。已知酒精浓度在之间属于“酒驾”；酒精含量达到或超过属于“醉驾”，则该次测试的酒精浓度属于范围（选填“酒驾”或“醉驾”）（4）使用较长时间后，蓄电池电动势降低，内阻增大，可调整（“”或“”），则此时所测的酒精气体浓度仍为准确值。【答案】6.02.0醉驾【详解】（1）[1]合上电键，将拨到2处，调节，使表头满偏，电流表示数为。则表头与电流表串联，可知合上电键，调节和，当电流表仍为时，表头与并联，由图丁可知表头的示数则中的电流由，解得表头的内阻将表头的量程扩大为原来的10倍，则与表头并联的电阻中的电流为则由，解得改装电表时应将调为（2）[2]改装电流表的内阻为由图乙可知酒精气体浓度为零时，传感器的电阻为由闭合电路欧姆定律可得电路中总电流则表头的读数为（3）[3]某次在实验室中试测酒精浓度时，表头指针指向，电路中总电流由闭合电路欧姆定律可得解得传感器的电阻由图乙可知酒精浓度为，所以该次测试的酒精浓度属于范围醉驾。（4）[4]由闭合电路欧姆定律可知使用较长时间后，蓄电池电动势降低，内阻增大，要想所测的酒精气体浓度仍为准确值，则电路中电流不变，则需要把调小，使电路中总电阻减小。4．光敏电阻广泛的应用于光控制电路中，物理探究小组设计了图甲所示的电路测量不同照度下的光敏电阻的阻值，照度单位为勒克斯（）。小组成员先将照射光敏电阻的光调至某一照度，将电阻箱阻值调到最大，先闭合电键，再将电键与1连接，调节电阻箱的阻值如图乙所示时，此时通过电流表G的电流为I，然后将电键与2连接，当调节电阻箱的阻值如图丙所示时，电流表的示数恰好也为I。（1）图乙的读数，图丙的读数，此照度下光敏电阻的阻值。（2）图丁是该小组描绘出的光敏电阻的阻值随照度变化的关系图像，由图丁可知（1）中的光照度为（保留两位有效数字）。（3）此光敏电阻随光照强度的减小而（填“增大”、“不变”或“减小”）。（4）小组设计了如图戊所示的电路控制路灯，图戊中为此实验的光敏电阻，为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁（容易磁化和消磁）制成，为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关。当光照强度小到某一值时，衔铁就会被吸下，交流电路接通，当光照强度达到某一值时，衔铁就会被弹簧拉起，交流电路就会断开，路灯熄灭，请在图戊中原有电路的基础上用笔画连接电路实现这一功能。【答案】2320112012001.0增大【详解】（1）[1][2]根据电阻箱各旋钮的示数，可知R1＝2320Ω，R2＝1120Ω；[3]根据题意可知，电键与1连接和与2连接时电流表的示数都为I，根据闭合电路欧姆定律可知两种情况下电路中电阻大小相等，所以R0＝R1－R2＝2320Ω－1120Ω＝1200Ω（2）[4]根据R0的阻值，结合图像可知（1）中的光照度为1.0；（3）[5]根据图线可知，此光敏电阻随光照强度的减小而增大；（4）[6]将线圈与光敏电阻并联，然后与滑动变阻器以及电源串联，这样当光照强度减小时，光敏电阻的阻值增大，并联部分的分压变大，线圈中的电流增大，螺线管的磁性变强，将衔铁吸下，路灯接通；当光照强度增大时，光敏电阻阻值变小，并联部分分压变小，线圈中的电流减小，螺线管的磁性变弱，衔铁弹起，路灯熄灭。5．如图甲所示为苹果自动分拣装置的示意图，该装置把大小不同的苹果，按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在一个以为转动轴的杠杆上，杠杆末端压在压力传感器R上，R的阻值随压力变化的曲线如图乙所示。调节托盘秤压在杠杆上的位置，使质量等于分拣标准（0.15kg）的大苹果经过托盘秤时，杠杆对R的压力为1N。调节可调电阻，可改变R、两端的电压比，使质量等于分拣标准的大苹果通过托盘秤时，两端的电压恰好能使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，此电压叫做放大电路的激励电压。该放大电路中包含保持电路，能够确保大苹果在衔铁上运动时电磁铁始终保持吸动状态。（1）当大苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，电阻（填“较大”“较小”）。（2）自动分拣装置正常工作时，大苹果通过（填“通道A”、“通道B”）。（3）若电源电动势为5V，内阻不计，放大电路的激励电压为2V：①为使该装置达到上述分拣目的，的阻值等于kΩ。（结果保留两位有效数字）②某同学想在托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，利用一块电压表测出每个苹果的质量，电压表的示数随苹果质量的增大而增大，则电压表应该并联在电阻（填“R”、“”或“电源”）两端。③若要提高分拣标准到0.33kg，仅将的阻值调为kΩ即可实现。（结果保留两位有效数字）（提示：托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下，压力传感器受到的压力与苹果的质量成正比）【答案】较小通道B2016【详解】（1）[1]由图乙可知当大苹果通过托盘秤时，R所受的压力较大，电阻较小。（2）[2]大苹果通过托盘秤时，两端的电压达到放大电路的激励电压，使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁，大苹果进入下面的通道B。（3）①[3]杠杆对R的压力为1N，R阻值为30kΩ，为使该装置达到上述分拣目的，的阻值需满足则②[4]随着苹果质量增大，R阻值减小，分压减小，电源电动势不变，分压增大，为了满足电压表的示数随苹果质量的增大而增大，需要将电压表并联在两端。③[5]根据可知分拣标准到0.33kg时，压力为2.2N，此时R的阻值为24kΩ，根据①分析的阻值应该调至16kΩ。6．热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化。实验小组用伏安法测量某热敏电阻的阻值，并研究其阻值与温度的关系，实验室可提供的器材有：热敏电阻Rt（阻值在几百到几千欧的范围内）；电压表V（量程为15V，内阻约3kΩ）；电流表A（量程为10mA，内阻约1Ω）：滑动变阻器R（最大阻值20Ω）；蓄电池（电动势为E=12V，内阻不计）：开关、导线若干。

（1）为了减小热敏电阻测量误差，图1中电压表右侧导线接（选填“a”或“b”）；正确连接电路后，调节恒温箱中的温度1，调节滑动变阻器的滑片P，使电流表和电压表示数在合适数值，记录对应的电流表和电压表的示数，并算出热敏电阻的阻值Rt。多次改变温度t，算出对应的阻值Rt；（2）在坐标纸上作出Rt与温度t的关系图像如图2所示。由图可知，当电压表的示数为9.0V，电流表的示数为3.0mA时，热敏电阻所在处的温度约为°C；（3）实验小组用该热敏电阻设计了如图3所示的保温箱温度控制电路，Rt为热敏电阻，R2为电阻箱，控制系统可视为R=300Ω的电阻，电源的电动势E0=10V（内阻不计）。当通过控制系统的电流小于2mA时，加热系统将开启为保温箱加热；当通过控制系统的电流达到2mA时，加热系统将关闭。若要使得保温箱内温度低于48°C，加热系统就开启，应将R2调为Ω；【答案】b481700【详解】（1）[1]因为有故电流表应采用内接法，图1中电压表右侧导线接b；（2）[2]当电压表示数为9.0V，电流表的示数为3.0mA时，热敏电阻的阻值为根据图2可知热敏电阻所处的温度约为48℃；（3）[3]取控制系统电流为由图2知，当温度为48℃时热敏电阻的阻值为，根据闭合电路欧姆定律，有代入数据得所以若要使得保温箱内温度低于48°C，加热系统就开启，应将R2调为1700Ω。7．某研究性学习小组利用压敏电阻制作电子秤。已知压敏电阻在压力作用下发生微小形变，它的电阻也随之发生变化，其阻值R随压力F变化的图像如图（a）所示，其中R0=15Ω，图像斜率k=1.4Ω/N。小组同学按图（b）所示电路制作了一个简易电子秤（秤盘质量不计），电路中电源电动势E=3.5V，内阻未知，电流表量程为10mA，内阻RA=18Ω，g取10m/s2。实验步骤如下：

（1）实验有下列一些步骤，则最合理的步骤为。①秤盘上放置已知重力的重物G，保持滑动变阻器电阻接入电阻不变；读出此时毫安表示数I；②换用不同已知质量的重物，记录每一个质量值对应的电流值；③秤盘上不放重物时，闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表指针满偏；④将电流表刻度盘改装为质量刻度盘。（2）实验时发现电流表量程偏小，根据需要将其量程扩大为100mA，则应该给该电流表（填“串联”或“并联”）阻值为Ω的电阻。（3）用改装后的电流表进行操作，若电流表示数20mA，则待测重物质量m=kg。（结果保留2位有效数字）（4）电流表表盘改动后，正确的刻线及0刻度位置最合理的是。A．

B．

C．

D．

（5）若电源电动势不变，内阻变大，其他条件不变，用这台电子秤称重前，进行了步骤③的操作，则测量结果（填“偏大”、“偏小”或“不变”）。【答案】③①②④并联210A不变【详解】（1）[1]在本实验中应先让秤盘上不放重物，闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表指针满偏，然后在秤盘上放置已知重力的重物G，保持滑动变阻器电阻接入电阻不变，读出此时毫安表示数I，再换用不同已知质量的重物，记录每一个质量值对应的电流值，最后将电流表刻度盘改装为质量刻度盘，故合理的实验操作顺序为③①②④。（2）[2][3]当小量程的电流表改装成量程较大的电流表时，需要并联一个小电阻，有代入数据解得（3）[4]根据闭合电路欧姆定律可得，当秤盘上不放重物时，调节滑动变阻器使得电流表满偏，有当秤盘上放上重物，且电流表示数为20mA时，有；联立可得（4）[5]由于压敏电阻阻值R随压力增大而增大，则电流表示数随压力增大而减小，所以改装后的刻度盘，其零刻度线在电流表的满刻度处。故选A。（5）[6]根据操作过程③可知，当电源电动势不变，而内阻增大时，仍可以使得电流表达到满偏，滑动变阻器接入电路的阻值减小，但回路中电源内阻和滑动变阻器接入电路的总电阻不变，所以测量结果不变。8．某科技兴趣小组对具有自动加水功能的家用电热壶的原理十分感兴趣，于是自行设计了一个简化的装置示意图和电路图，如图1所示。该装置可以实现在壶中的水量不足时自动加水，而在达到“预设水量”时，又能够自动停止加水的目的。底座可以承受水壶和水的全部重量，底座压在一个以O点为固定转轴的L形杠杆上。杠杆段水平，另一端与压力传感器接触，的阻值与压力F之间的关系图像如图2所示。当“控制电路”的输入端电压大于等于1V时，能控制水泵的电机开始工作，将水抽到水壶中。已知电源的电动势为，内阻为，为电阻箱（），水壶中没有水时，水壶和底座的总质量为，重力加速度g取，“控制电路”输入端中的电流十分微弱，可以忽略，杠杆绝缘且质量不计，不考虑加水时水流的冲击力。回答下列问题：

（1）水龙头往水壶加水的过程中，的阻值逐渐，两端的电压逐渐（均选填“增大”或“减小”）；为了实现上述功能，“控制电路”的输入端应该并联在电路的端点（选填“a、b”或“c、d”）。（2）该小组的同学调节底座与杠杆的接触位置B，使图中的长度为长度的2倍，并要求“预设水量”为1L（对应的水的质量为）。已知电阻受到的压力，其中为杠杆上B点受到的压力，则应将调节为，此时两端的电压为V。【答案】减小增大a、b24.04.8【详解】（1）[1][2][3]加水的过程中，压力变大，由题图2知，的阻值逐渐减小；则电路总电阻逐渐减小，根据闭合电路欧姆定律可知，电路电流逐渐增大，则两端的电压逐渐增大；为了在水量达到“预设水量”时电机停止工作，要使“控制电路”输入端电压随水量的增加而减小，则“控制电路”输入端应该连接电路的a、b端点。（2）[4][5]达到“预设水量”1L时，水壶和水的总重力为压力传感器上的压力为由图2读得的阻值为，由题意知到“预设水量”时的电压应为1V，通过的电流应为则的阻值应为此时两端的电压为9．山东省有全国最大的温室智能化育苗蔬菜基地，蔬菜育苗过程对环境要求严格，温室内的空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度以及光照强度等都很重要。其中光照强度简称照度，可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度单位为勒克斯（1x）。蔬菜生长适宜的照度为4000~25000lx，为了控制照度，科技人员设计了图甲所示的智能光控电路，当照度低于4000lx时，启动照明系统进行补光。

（1）智能光控电路的核心元件是光敏电阻，某同学如图乙连接各元件，测量光敏电阻在不同照度时的电阻，则在闭合电路开关前应该把滑动变阻器滑到（选填“1”或“2”）端；请根据图乙在虚线框内画出对应的电路图；

（2）通过测量得出了电阻随照度变化的规律如图丙所示，由图可判断光敏电阻的阻值与照度反比例函数关系（选填“满足”或“不满足”）；（3）该同学用上述光敏电阻连接成图甲所示的控制电路，其中电源电动势，内阻，定值电阻，电阻箱的阻值调节范围是0~999.9Ω，光敏电阻的电压U增加到2.0V时光照系统开始工作，为了使光敏电阻在照度降低到4000lx时，自动控制系统开始补光，电阻箱的阻值应该调节为Ω；（4）该光控装置使用较长时间后电源内阻变大，使得自动控制系统正常工作时的最小照度4000lx（选填“大于”“小于”或“等于”）。【答案】2

不满足65.0小于【详解】（1）[1][2]为了保证电路的安全应将滑动变阻器滑到2端，从而使光敏电阻两端的电压为零；根据实物图可得电路图为

（2）[3]根据图像可知纵坐标与横坐标的乘积不是一个常数