2021学年3 利用传感器制作简单的自动控制装置学案

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一、门窗防盗报警装置
1．电路如图所示。
2．工作原理：闭合电路开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。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。继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。
3．实验器材
干簧管、继电器、发光二极管LED、蜂鸣器H、电源、导线若干、开关、电阻。
4. 实验步骤
(1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。
(2)确定各元件可以正常工作后，按照图所示连接电路。
(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、光控开关
1．电路如图所示。
2．工作原理：当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡L不亮。 当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，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而点亮小灯泡L。
3．实验器材
发光二极管、三极管、可变电阻R1、电阻R2、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源、导线若干、黑纸。
4．实验步骤
(1)按照图所示连接电路，检查无误后，接通电源。
(2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。
(3)遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。
(4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
5．注意事项
(1)安装前，对实验器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。
(2)光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接。
(3)如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖 光敏电阻，再进行观察。
【例1】 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：
①根据表中数据，请在给定的坐标系(见答题卡)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 。
②如图所示，当1、2两端所加电压上升至2 V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)
提供的器材如下：
光敏电源E(电动势3 V，内阻不计)；
定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝40 kΩ(限选其中之一并在图中标出)
开关S及导线若干。
[解析] (1)光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如图所示。
特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。
(2)电路原理图如图所示。
控制开关自动启动照明系统，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，即此时光敏电阻阻值为20 kΩ，两端电压为2 V，电源电动势为3 V，所以应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10 kΩ，即选用R1。
[答案] 见解析
【例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120 ℃时，系统报警。提供的器材有：
热敏电阻(该热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，在120 ℃时阻值为700.0 Ω)；报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警，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)；
电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)；
直流电源(输出电压为U约为18 V，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，调节的报警系统原理电路图如图所示。
(1)电路中应选用滑动变阻器 (选填“R1”或“R2”)。
(2)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 。
(3)滑动变阻器滑片的位置 (选填“不变”“向左滑动”或“向右滑动”)，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。
(4)若要将此系统改为光敏电阻控制的报警系统，要求当光敏电阻的光照达到或超过某一特定值时，系统报警，且光敏电阻在这一特定值时的电阻为650 Ω，则需将上述电路中的 换成光敏电阻，并将电阻箱的阻值调到 Ω，然后重复上述操作即可。
[解析] (1)电压为18 V，而报警时的电流为10 mA；此时电阻约为： R＝eq \f(18,10×10－3) Ω＝1 800 Ω； 而热敏电阻的阻值约为650 Ω，故滑动变阻器接入电阻约为1 150 Ω，故应选择R2。
(2)①因要求热敏电阻达到120 ℃时报警，此时电阻为700 Ω，故应将电阻箱调节至700 Ω，然后由最大调节滑动变阻器，直至报警器报警，故开始时滑片应在b端，目的是避免接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏；②将开关接到c端与电阻箱连接，调节滑动变阻器直至报警器开始报警即可，然后再接入热敏电阻，电路即可正常工作。
(3)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。
(4)需将上述电路中的热敏电阻换成光敏电阻，并将电阻箱的阻值调到650 Ω，然后重复上述操作即可。
[答案] (1)R2 (2)①700.0 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 (3)不变 (4)热敏电阻 650
1．如图所示，图甲为热敏电阻的R­t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，继电器的电阻为100 Ω。当线圈的电流大于或等于20 mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势E＝9.0 V，内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。则：
甲 乙
(1)应该把恒温箱内的加热器接在 (选填“A、B端”或“C、D端”)。
(2)如果要使恒温箱内的温度保持在50 ℃，可变电阻R′的阻值应调节为 Ω。
[解析] (1)当线圈中的电流较小时，继电器的衔铁在上方，恒温箱的加热器处于工作状态，恒温箱内温度升高，故恒温箱内的加热器应该接在A、B端。
(2)要使恒温箱内的温度保持在50 ℃，即50 ℃时线圈内的电流为I＝20 mA。由闭合电路欧姆定律得I＝eq \f(E,R＋R′＋r)，式中r为继电器的电阻，解得R＋R′＋r＝450 Ω。由题图甲可知，50 ℃时热敏电阻的阻值为90 Ω，所以R′＝450 Ω－R－r＝260 Ω。
[答案] (1)A、B端 (2)260
2．某同学尝试把一个灵敏电流表改装成温度表，他所选用的器材有：灵敏电流表(待改装)，学生电源(电动势为E，内阻不计)，滑动变阻器，单刀双掷开关，导线若干，导热性能良好的防水材料，标准温度计，PTC热敏电阻R1(PTC线性热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为Rt＝a＋kt，a＞0，k＞0)。
设计电路图如图所示，并按如下步骤进行操作。
(1)按电路图连接好实验器材。
(2)将滑动变阻器滑片P滑到 (选填“a”或“b”)端，单刀双掷开关S掷于 (选填“c”或“d”)端，调节滑片P使电流表满偏，并在以后的操作中保持滑片P位置不动，设此时电路总电阻为R，断开电路。
(3)容器中倒入适量开水，观察标准温度计，每当标准温度计示数下降5 ℃，就将开关S置于d端，并记录此时的温度t和对应的电流表的示数I，然后断开开关。请根据温度表的设计原理和电路图，写出电流与温度的关系式I＝ (用题目中给定的符号)。
(4)根据对应温度记录的电流表示数，重新刻制电流表的表盘，改装成温度表。根据改装原理，此温度表表盘刻度线的特点是：低温刻度在 (选填“左”或“右”)侧，刻度线分布是否均匀？ (选填“是”或“否”)。
[解析] (2)根据实验的原理可知，需要先选取合适的滑动变阻器的电阻值，结合滑动变阻器的使用的注意事项可知，开始时需要将滑动变阻器滑片P滑到 a端，以保证电流表的使用安全；然后将单刀双掷开关S掷于c端，调节滑片P使电流表满偏，设此时电路总电阻为R，断开电路。
(3)当温度为t时，热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为：R1＝a＋kt，根据闭合电路的欧姆定律可得，I＝eq \f(E,R＋R1)＝eq \f(E,R＋a＋kt)
(4)由上式可知，温度越高，电流表中的电流值越小，所以低温刻度在表盘的右侧；由于电流与温度的关系不是线性函数，所以表盘的刻度是不均匀的。
[答案] (2)a c 满偏(或指针到最大电流刻度) (3)eq \f(E,R＋a＋kt) (4)右，否
3．(1)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。图为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图。由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能 (选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更 (选填“敏感”或“不敏感”)。
(2)利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等。图甲所示为某同学用传感器做实验得到的小灯泡的U­I关系图线。
甲 乙
丙
(a)实验室提供的器材有：电流传感器、电压传感器、滑动变阻器A(阻值范围0～10 Ω)、滑动变阻器B(阻值范围0～100 Ω)、电动势为6 V的电源(不计内阻)、小灯泡、电键、导线若干。该同学做实验时，滑动变阻器选用的是 (选填“A”或“B”)；请在图乙的方框中画出该实验的电路图。
(b)将该小灯泡接入如丙图所示的电路中，已知电流传感器的示数为0.3 A，电源电动势为3 V。则此时小灯泡的电功率为 W，电源的内阻为 Ω。
[解析] (1)图中横轴表示温度，纵轴表示电阻，随着温度的增加，金属热电阻的阻值略增大，而热敏电阻的阻值显著减小。所以这种热敏电阻在温度上升时导电能力增强；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的影响更敏感。
(2)(a)为方便实验操作，滑动变阻器可以选A；小灯泡电阻较小，电流传感器应采用外接法，描绘小灯泡伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，电路图如图所示；
(b)由图甲可知，通过灯泡的电流是0.3 A时，灯泡两端电压是2.5 V，则灯泡功率P＝UI＝2.5 V×0.3 A＝0.75 W；电源电动势是3 V，过点(0.3 A,2.5 V)和纵轴上3 V的点作一直线，该直线是电源的U­I图像，如图所示，根据闭合电路欧姆定律应有E＝U＋Ir，解得r＝1.67 Ω。
[答案] (1)增强 敏感 (2)(a)A 电路如图所示
(b)0.75 1.67
4．如图甲所示为某宾馆的房卡，只有把房卡插入槽中，房间内的灯和插座才会有电。
甲
(1)房卡的作用相当于一个 (填电路元件名称)接在干路上。
(2)如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁铁的卡P插入盒子Q中，这时由于磁铁吸引簧片，开关B就接通，通过继电器J使整个房间的电器的总开关接通，房客便能使用室内各种用电器。当继电器工作时，cd相吸，ab便接通。请你将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电门卡电路。
乙
[解析] (1)房卡可以控制房间内的灯和插座，不插入插槽中，所有房间内的灯和插座都不工作，所以房卡相当干路上的电键；
(2)将干簧管与电源E、线圈连成一个回路；将三个灯泡所在电路与交流电流接成回路，即按8－7,4－5,6－9,1－3,2－10 连接起来，构成正常的电门卡电路。如图。
[答案] (1)电键 (2)8－7,4－5,6－9,1－3,2－10
5．传感器担负着信息的采集任务，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(通常是电学量)。例如，热敏传感器主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，其阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器的线路图，问：
(1)为了使温度过高时报警铃响，c应接在 (选填“a”或“b”)点。
(2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P向 移动(选填“左”或“右”)。
(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，则造成工作电路实际不能工作的原因可能是

。
[解析] (1)由图甲可知当温度升高时Rt的阻值减小，通过线圈的电流变大，对衔铁的引力变大，可与a点接触，欲使报警器报警，c应接在a点。
(2)若使启动报警的温度提高些，可使电路的相对电流减小一些，以使得热敏电阻Rt的阻值减小得更大一些，所以将滑动变阻器滑片P向左移动，增大滑动变阻器接入电路的阻值。
(3)在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作，可能是通过线圈的电流太小或线圈匝数太少，对衔铁的引力较小，也可能是弹簧的弹力较大，线圈的磁力不能将衔铁吸引到和a接触的状态，还可能是乙图电源电压太低。
[答案] (1)a (2)左 (3)可能是乙图中的电源电压太低或电流太小或继电器线圈匝数太少或弹簧劲度系数太大
6．某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等。
(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在如图所示的实物图上连线。
(2)实验的主要步骤：
①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值。
②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关， ， ，断开开关。
③重复第②步操作若干次，测得多组数据。
(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得如图所示的R­t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R­t关系式：R＝ ＋ t(Ω)。(保留三位有效数字)
[解析] (1)实物连线如图。
(2)改变温度后，热敏电阻阻值改变，电压表示数改变。
(3)从图线知R与t呈线性关系，且纵轴上截距(当t＝0 ℃时)R＝100 Ω；图线斜率k＝eq \f(ΔR,Δt)＝0.390，所以R＝100＋0.390t(Ω)。
[答案] (1)实物连线图见解析 (2)记录温度计数值 记录电压表数值 (3)100 0.390
7．某实验小组利用如图(a)所示的电路探究在25～80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT，其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表(量程150 mV)；定值电阻R0(阻值20.0 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9 Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2.
(a)
实验时，先按图(a)连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0 ℃.将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数。逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃。实验得到的R2­t的数据见下表。
回答下列问题：
(1)在闭合S1前，图(a)中R1的滑片应移动到 (选填“a”或“b”)端；
(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2­t曲线；
(b)
(c)
(3)由图(b)可得到RT在25～80 ℃范围内的温度特性。当t＝44.0 ℃时，可得RT＝ Ω；
(4)将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图(c)所示，该读数为 Ω，则手心温度为 ℃。
[解析] (1)题图(a)的电路中滑动变阻器采用限流接法，在闭合S1前，R1应该调节到接入电路部分的阻值最大，使电路中电流最小，即题图(a)中R1的滑片应移到b端。
(2)将t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2­t曲线。
(3)根据题述实验过程可知，测量的R2的数据等于对应的热敏电阻RT的阻值。由画出的R2­t曲线可知，当t＝44.0 ℃时，对应的RT＝450 Ω。
(4)由画出的R2­t曲线可知，当RT＝620.0 Ω时，手心温度t＝33.0 ℃。
[答案] (1)b (2)如图所示
(3)450 (4)620.0 33.0
8. 某同学利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”，如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方，当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮； 当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响。图甲中继电器的供电电压U1＝3 V，继电器线圈用漆包线绕成，其电阻R0为40 Ω。当线圈中的电流大于等于50 mA时，继电器的衔铁将被吸合，警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。
图甲 图乙
(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱 相连，指示灯的接线柱D应与接线柱 相连(均选填“A”或“B”)。
(2)当环境温度升高时，热敏电阻阻值将 ，继电器的磁性将 ，当环境温度达到 ℃时，警铃报警(均选填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)如果要使报警电路在更低的温度就报警，下列方案可行的是( )
A．适当减小U1 B．适当增大U1
C．适当减小U2 D．适当增大U2
[解析] (1)根据“当环境温度正常时，继电器的上触点接触，下触点分离，指示灯亮；当环境温度超过某一值时，继电器的下触点接触，上触点分离，警铃响”，知警铃的接线柱C应与接线柱B相连，指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。
(2)当环境温度升高时，热敏电阻阻值减小，由欧姆定律知电路中电流增大，则继电器的磁性将增大。当线圈中的电流等于50 mA时，继电器的衔铁刚好被吸合，则控制电路中电阻最大值为 R总＝eq \f(U1,I)＝eq \f(3,0.05) Ω＝60 Ω，此时热敏电阻阻值为 R＝R总－R0＝60 Ω－40 Ω＝20 Ω，由图乙知，此时环境温度为100 ℃，所以环境温度在t≥100 ℃时，警铃报警。
(3)要使报警电路在更低的温度就报警，则线圈中的电流等于50 mA时，热敏电阻R变大，由(2)知，热敏电阻R＝eq \f(U1,I)－R0，则可通过适当增大U1达到这个目的，故B正确，A、C、D错误。
[答案] (1)B A (2)减小 增大 100 ℃ (3)B
照度(lx)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻(kΩ)
75
40
28
23
20
18
t/℃
25.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
R2/Ω
900.0
680.0
500.0
390.0
320.0
270.0
240.0