高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第五章 传感器3 利用传感器制作简单的自动控制装置学案设计

3　利用传感器制作简单的自动控制装置

[学习目标]　1.进一步理解常用传感器的工作原理及应用.2.学会利用传感器制作简单的自动控制装置．

一、实验1　门窗防盗报警装置

1．实验器材和装置

干簧管作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在．继电器(虚线框部分)作为执行装置．发光二极管LED作为电路正常工作提示，R为发光二极管的限流电阻，起保护作用．蜂鸣器H作为报警提醒．电路设计如图1.

图1

2．电路工作原理

当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两簧片被磁化相吸，继电器接通而工作．当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电，动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警．

3．实验操作

(1)检查干簧管．用磁体直接靠近干簧管，观察干簧管簧片能否正常动作．

(2)连接电路．连接电路前，要检查其他元件是否也能正常工作．

(3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象．

二、实验2　光控开关

1．实验器材和装置

光敏电阻完成光信号向电信号的转变．晶体三极管将电流进行放大，同时具有完成断路和接通的开关作用．发光二极管LED模仿路灯．电路设计如图2甲．

图2

为了能够驱动更大功率的负载，需用继电器来启、闭另外的供电电路，如图乙所示．

2．电路工作原理

(1)光较强时，光敏电阻阻值小，三极管不导通，继电器断路，处于常开状态，小灯泡L不亮．

(2)光较弱时，光敏电阻阻值变大，三极管导通，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合，点亮小灯泡L.

3．实验操作

(1)连接电路，检查无误后，接通电源．

(2)用白光照射光敏电阻，调节R1，使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光．

(3)减弱光敏电阻的光照强度，当光减弱到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L发光．

(4)让光照加强，当光增强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭．

一、光控开关的应用

把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源连成电路如图3所示，制成光电报警装置．当报警器有光照射时，峰鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声．①光敏电阻：光敏电阻受光照后，阻值会变小．②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成．当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态．当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态．电路已经连接一部分，请将电路完整连接好．

图3

答案　见解析

解析　电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关外面接线构成一个回路；而另一组电池、蜂鸣器与干簧管继电器开关里面的两个接线构成又一个回路．当有光照时，光敏电阻阻值变小，使得干簧管继电器开关存在磁场，导致开关接通，最终使得蜂鸣器发声，电路如图所示．

二、热敏电阻的应用

(2016·全国卷Ⅰ)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999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，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18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω.

(1)完成如图4所示待调节的报警系统原理电路图的连线．

图4

(2)电路中应选用滑动变阻器________(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________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_____________________________________________________________________________．

②将开关向________(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．

答案　(1)见解析图

(2)R2

(3)①650.0　b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏

②c　报警器开始报警

解析　(1)热敏电阻工作温度达到60 ℃时，报警器报警，故需通过调节电阻箱使其电阻为60 ℃时的热敏电阻的阻值，即调节到阻值650.0 Ω，使报警器能正常报警，电路图如图所示．

(2)U＝18 V，当通过报警器的电流10 mA≤Ic≤20 mA，故电路中总电阻R＝，即900 Ω≤R≤

1 800 Ω，故滑动变阻器选R2.

(3)热敏电阻阻值为650.0 Ω时，报警器开始报警，模拟热敏电阻的电阻箱阻值也应为650.0 Ω，实验调试时，将开关置于c端，缓慢调节滑动变阻器，直到报警器开始报警．为防止通过报警器电流过大，造成报警器烧坏，应使滑动变阻器的滑片置于b端．

1．光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用．街道路灯自动控制就是应用之一，如图5所示电路为模拟电路，其中A为一光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流信号放大器，D为路灯．请连成正确的电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果．

图5

答案　见解析图

解析　当有光照射时，电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个触点断开；当无光照时，电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作，电路如图所示．

2．如图6甲所示为一热敏电阻的R－t图像，图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为200 Ω.当线圈中的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合．为继电器线圈供电电池的电动势E＝8 V，内阻可以不计．图中的“电源”是恒温箱加热电源．

图6

(1)图甲说明热敏电阻的阻值随着温度的升高而________(选填“增大”“减小”或“不变”)．

(2)应该把恒温箱内加热器接________(选填“AB”或“CD”)端．

(3)如果要使恒温箱内的温度保持100 ℃，滑动变阻器R1接入电路的电阻值为________ Ω.

答案　(1)减小　(2)AB　(3)150

解析　(1)由题图甲可知热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小；

(2)当温度较低的时候，热敏电阻的阻值较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以应该把恒温箱内的加热器接在AB端．

(3)当温度达到100 ℃时，加热电路就要断开，此时继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要达到20 mA＝0.02 A，根据闭合电路欧姆定律可得：I＝，解得：R1＝150 Ω.

1.测定压力变化的电容式传感器如图1所示，A为固定电极，B为可动电极，组成一个电容大小可变的电容器．可动电极两端固定，当待测压力施加在可动电极上时，可动电极发生形变，从而改变了电容器的电容．现将此电容式传感器连接到如图所示的电路中，当待测压力增大时(　　)

图1

A．电容器的电容将减小

B．电阻R中没有电流

C．电阻R中有从a流向b的电流

D．电阻R中有从b 流向a的电流

答案　D

解析　当待测压力增大时，电容器板间距离减小，根据电容的决定式C＝得知，电容C增大，故A错误．电容器板间电压U不变，电容器所带电荷量为Q＝CU，C增大，则Q增大，电容器处于充电状态，电路中形成逆时针方向的充电电流，电阻R中有从b流向a的电流，故B、C错误，D正确．

2．(多选)电熨斗已经走进千家万户，特别是服装店更离不开它，现在的电熨斗具有自动控制温度功能，可以通过双金属片来控制电路的通断．如图2为电熨斗的结构示意图，下列关于电熨斗的控制电路的说法正确的是(　　)

图2

A．常温下，电熨斗的上下触点应该是分离的

B．图中双金属片上层的膨胀系数大于下层金属片的膨胀系数

C．熨烫棉麻衣物时需要设定较高的温度，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升

D．熨烫丝绸衣物时需要设定较低的温度，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升

答案　BD

解析　常温时，电熨斗的上下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进行加热．当温度过高时双金属片膨胀，因上层的热膨胀系数较大，故上层膨胀得厉害，双金属片向下弯曲，弯曲到一定程度后，两触点分离，电路断开，电热丝停止加热；当温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，故A错误，B正确．熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，也就是要求双金属片弯曲程度较大时，两触点分离，所以应使升降螺钉下降；熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，应使升降螺钉上升，故C错误，D正确．

3.(多选)如图3所示是某小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置．则(　　)

图3

A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压升高

B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压降低

C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压

D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压

答案　BC

解析　R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过而遮住光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项正确；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误．

4．如图4所示为一温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，下列说法正确的是(　　)

图4

A．温度升高至74 ℃时，灯L1亮报警

B．温度升高至74 ℃时，灯L2亮报警

C．温度升高至78 ℃时，灯L1亮报警

D．温度升高至78 ℃时，灯L2亮报警

答案　D

解析　当温度低于78 ℃时，线圈中没有电流，此时仅灯L1亮，并不报警；当温度升高到78 ℃时，线圈中有电流，磁体吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮报警．

5．(2020·太原市模拟)如图5是磁报警装置中的一部分电路示意图，其中电源电动势为E，内阻为r，R1、R2是定值电阻．RB是磁敏传感器，它的电阻阻值随磁体的出现而减小，c、d接报警器．电路闭合后，当传感器RB所在处出现磁体时，则通过电流表的电流I，c、d两端的电压U将(　　)

图5

A．I变大，U变小

B．I变小，U变大

C．I变大，U变大

D．I变小，U变小

答案　A

解析　由“串反并同”知当传感器处出现磁体，RB减小时，干路电流变大，U变小，电流表示数变大，即I变大，故A对，B、C、D错．

6．温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的．如图6甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E＝9.0 V，内电阻不计；G为灵敏电流表，其电阻Rg保持不变，R为热敏电阻，其阻值随温度的变化关系如图乙所示．闭合开关S，当R的温度等于20 ℃时，电流表示数I1＝2 mA；当电流表的示数I2＝

3.6 mA时，热敏电阻的温度是(　　)

图6

A．60 ℃   B．80 ℃ 

C．100 ℃   D．120 ℃

答案　D

解析　由题图乙可知，当R的温度等于20 ℃时，热敏电阻的阻值R1＝4 kΩ，则由I1＝可得Rg＝0.5 kΩ；当电流I2＝3.6 mA时，由I2＝可得R2＝2 kΩ，由题图乙可知，此时热敏电阻的温度为120 ℃，故选D.

7．(多选)(2019·大庆市实验中学月考)如图7所示的火灾报警装置，R1为热敏电阻，若温度升高，则R1的阻值会急剧减小，从而引起电铃两端电压增加，当电铃两端电压达到一定值时，电铃会响．下列说法正确的是(　　)

图7

A．要使报警的临界温度升高，可以适当增大电源的电动势

B．要使报警的临界温度升高，可以把R2的滑片P适当向下移

C．要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势

D．要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P适当向下移

答案　CD

解析　要使报警的临界温度升高，R1对应的阻值减小，电路中电流会增大，电铃两端的电压会增大，而当电铃两端电压达到一定值时，电铃会响，要使电铃的电压仍为原来的值，可以适当减小电源的电动势，相反，要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势，故A错误，C正确；要使报警的临界温度升高，根据串联电路的特点可知，可以把R2的滑片P适当向上移，以减小R2接入电路的阻值，相反，要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P适当向下移，故B错误，D正确．

8．如图8是某研究学习小组模拟街道路灯自动控制电路的电路图，光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻的阻值随着光照强度增强而减小，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________(选填“AB”或“BC”)之间，请用笔画线代替导线，正确连接部分电路元件．

图8

答案　AB　见解析图

解析　该模拟电路原理是：由光敏电阻感知光照强度变化，调节电磁铁中电流的大小，即可调节电磁铁的磁性强弱，吸引或者释放衔铁，从而断开或接通路灯，达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果．因为天亮时光照强度大，光敏电阻阻值较小，电路的电流较大，电磁的磁性强，可将衔铁吸下，接通BC，断开AB；又因为天亮需要断开路灯，所以路灯应接在AB之间．电路连线直接将DE两端口与光敏电阻、滑动变阻器、开关以及电源串联即可．电路如图所示．

9．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9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：

图9

(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提高些，应将滑动变阻器的滑片P向________(选填“左”或“右”)移动．

(3)如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作的原因可能是_____________________________________________________________．

答案　(1)a　(2)左　(3)电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹力

解析　(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)若要使启动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，滑动变阻器的滑片P向左移动．

(3)电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹力．

10．(2020·梅河口市第五中学高二月考)电饭煲的工作原理如图10所示，可分为两部分，即控制部分：由S1、S2、定值电阻R1和黄灯组成；工作(加热)部分：由发热电阻R3、定值电阻R2和红灯组成．S1是一个磁钢限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点(103 ℃)时，自动断开，且不能自动复位，S2是一个金属片自动开关，当温度达到70～80 ℃时，自动断开，低于70 ℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过其电流必须较小，所以R1、R2起________作用．R3是发热电阻，接通电源并闭合S1后，黄灯熄而红灯亮，R3发热，当温度达到70～80 ℃时，S2断开，当温度达到103 ℃时饭熟，S1断开，当温度降到70 ℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2________R3(选填“<”“＝”或“>”)，若用电饭煲烧水时，S1________(选填“会”或“不会”)自动断开．

图10

答案　限流　>　不会

解析　通过红灯、黄灯的电流必须较小，根据欧姆定律可知R1、R2起限流作用；R3是发热电阻，要产生很大的热量，所以电流要大一点，而通过R2的电流要小一点，且并联电路电压相等，根据欧姆定律可知R2>R3；若用电饭煲烧水时，温度达不到居里点(103 ℃)，S1不会自动断开．