物理人教版 (2019)3 利用传感器制作简单的自动控制装置学案

利用传感器制作简单的自动控制装置

实验一　门窗防盗报警装置

一、实验目的

1．了解门窗防盗报警装置的工作原理。

2．了解干簧管和继电器的特点和在装置中的作用。

二、实验原理

1．干簧管

(1)特点：感知磁场是否存在的传感器。

(2)作用：将磁场的存在与否转换为电路的通断。

2．继电器

(1)特点：继电器线圈中有电流通过时，开关与触点a接通，无电流时，开关与触点b接通。

(2)作用：将继电器中电流的有无转换为指示灯和蜂鸣器电路的控制，相当于一个自动的双向开关。

3．实验电路

4．工作原理

闭合开关S，系统处于防盗状态，当门窗紧闭时，磁体M使干簧管处于导通状态，继电器使开关c与触点a接通，二极管LED发光。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，使开关转换为c、b接通，蜂鸣器H发声报警。

三、实验器材

干簧管SA、继电器、发光二极管LED、电阻R(330 Ω)、蜂鸣器H、电源、小磁体、开关等。

四、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，按照实验电路图连接电路。

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。

实验二　光控开关

一、实验目的

1．了解光控开关的工作原理。

2．练习利用光控开关制作自动控制设备。

二、实验原理

1．晶体三极管

(1)两种类型

(2)三个电极

①发射极e，②基极b，③集电极c。

(3)重要特性

①从基极输入一个较小的电流，就会在集电极获得较大的电流，这就是三极管的电流放大作用。

②在控制电路中具有完成断路和接通的开关作用。

2．光控开关

(1)电路图

(2)工作原理

当光照较强时，RG较小，加在基极上电压较小，三极管不导通，LED不亮；当光线较弱时，RG阻值增大，加在基极上电压增大，当达到一定程度后，三极管被导通，发光二极管LED开始发光。

3．光控开关控制电路

(1)电路图

(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，继电器所在的回路相当于断路；当环境光线比较暗时，光敏电阻RG阻值较大，三极管导通，集电极电流较大，驱动继电器吸合开关S，点亮灯泡L。(注：与继电器并联的二极管D，提供自感电流释放通路，以保护三极管不被烧坏。)

三、实验器材

可调电阻R1(最大电阻为51 kΩ)、限流电阻R2(330 Ω)、光敏电阻RG、三极管VT、发光二极管LED、继电器、小灯泡L(6 V、0.3 A)、二极管D、电源等。

四、实验步骤

1．按照实验电路图连接电路，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，当光照增强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭。

五、注意事项

1．安装前，对器材进行测试，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，否则将烧坏门电路集成块。

3．光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把R1的阻值调大些。

[例题1]　把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器、开关、电源按如图所示电路连接，制成光电报警装置。当有光照射报警装置且光照较强时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声。①光敏电阻：受光照射后，阻值会变小。②干簧管继电器：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，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态。请将下面的电路连接完整。

[解析]　如图所示，当有光照且光照较强时，光敏电阻的阻值变小，使得干簧管继电器线圈中有较大的电流，从而产生磁场，导致两个铁质簧片闭合，最终使得蜂鸣器发声。

[答案]　如解析图所示

[针对训练]

　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(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。某热敏电阻RT阻值随温度变化的图像如图甲所示，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铃响，c应接在__________(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________移动(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：_________________________________________________________

________________________________________________________________________。

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)为使达到启动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，故滑动变阻器的滑片应左移。

(3)在最低报警温度时不能报警，说明此时电路产生的电流不能让竖直片与a接触，这可能由多种原因造成，如：①电源提供的电流太小，导致磁铁的磁性太弱；②弹簧的劲度系数太大，电磁铁的吸引力小于弹簧的弹力等。

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

[例题2]　如图甲所示是一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据丙图所给器材设计一个路灯自动光控电路。要求有光照时路灯不亮，无光照时路灯工作。

[解析]　由流过光敏电阻的电流和光强的关系曲线可以看出，当入射光增强时，流过光敏电阻的电流增大。根据题意设计一个路灯自动控制电路如图所示。

控制过程：当有光照射时，流过光敏电阻的电流增大，并经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合，使两个常闭触点断开，当无光照时，电流减小，放大器输出电流也减小，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。

[答案]　见解析

[针对训练]

　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变化而发生变化的元件(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RG在不同照度下的阻值如下表所示。

(1)根据表中的数据，请在给定的坐标系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：

光敏电阻RG(符号，阻值见表)；

直流电源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)阻值随照度变化曲线如图甲所示。

(2)原理：利用串联电路的分压规律设计电路。当照度降低至1．0 lx时，光敏电阻RG＝20 kΩ，由题中信息可知U12＝2 V，E＝3 V，＝，代入数据解得R＝10 kΩ，所以定值电阻应选R1。电路原理图如图乙所示。

答案：(1)见解析图　光敏电阻的阻值随光的照度的增大而非线性减小　(2)见解析

1．如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照射，电阻减小；门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验，可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压UR2与门关闭时相比(　　)

A．红灯亮，UR2变大　　　　　　 B．绿灯亮，UR2变大

C．绿灯亮，UR2变小 D．红灯亮，UR2变小

解析：选D　当门打开时，R3受红外线照射，电阻减小，则总电阻减小，总电流I增大，R2两端电压UR2＝E－I(R1＋r)减小，R2中电流IR2＝减小，所以R3中电流IR3＝I－IR2增大，电磁继电器产生的磁场增强，把衔铁吸下，红灯亮，选项D正确。

2．设计一个自动防盗报警电路，要求：晚间房门被打开，细导线EF被扯断，电铃发声自动报警。把如图所示的电路元件连成电路。

解析：EF断开时，电铃发声，应使电铃与导线EF并联后，再与电阻串联，如图所示。

答案：见解析

3．目前有些居民区楼道灯的控制使用的是一种延时开关，该延时开关的简化原理如图所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过，就能使其发出红色亮光)，R为限流电阻，K为按钮式开关，虚线框内S表示延时开关电路，当按下K接通电路瞬间，延时开关触发，相当于S闭合，这时释放K后，延时开关S约在1 min后断开，灯泡熄灭。根据上述信息和原理图，我们可推断：按钮式开关K按下前，发光二极管是________(填“发光的”或“熄灭的”)；将按钮式开关K按下再释放后，灯泡L发光持续时间约________ min，这一过程中发光二极管是________(填“发光的”或“熄灭的”)。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比，应满足R________RL的条件。

解析：按钮式开关K按下前，发光二极管、限流电阻与灯泡串联，有电流通过发光二极管，因此发光二极管处于发光状态。当将按钮式开关K按下再释放后，由于接通电路瞬间延时开关触发，相当于S闭合，二极管被短路，所以处于熄灭状态。由于延时开关S约1 min后断开，灯泡熄灭，则知灯泡L发光持续时间约1 min。由于R为限流电阻，且二极管只要有很小的电流通过就能发光，若要保证延时开关断开时，二极管发光，灯泡L不发光，则应满足R≫RL。

答案：发光的　1　熄灭的　≫

4．某研究学习小组设计的模拟街道路灯自动控制系统的电路图如图所示，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，利用照明电源为电灯供电。为达到天亮灯熄、天黑灯亮的效果，电灯应接在________(选填“A、B”或“B、C”)之间，请用笔画线代替导线，将电路补充完整。

解析：该模拟电路的工作原理是：由光敏电阻感知光照强度变化，调节电磁铁线圈中电流的大小，即可调节电磁铁磁性的强弱，吸下或者释放衔铁，从而控制灯的亮灭，即达到天亮灯熄、天黑灯亮的效果。因为天亮时光照强度大，光敏电阻阻值较小，电磁铁线圈中电流较大，磁性较强，可将衔铁吸下；又因为天亮时需要使灯熄灭，所以灯应接在A、B之间。电路连线时直接将D、E两端与光敏电阻、滑动变阻器、开关以及电源串联即可。电路如图所示：

答案：A、B　见解析图