第17讲 利用传感器制作简单的自动控制装置（原卷版）-高二物理同步精品讲义（人教版选择性必修第二册）

第17讲 利用传感器制作简单的自动控制装置

知识点01 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.

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．

【即学即练1】热敏电阻阻值随温度变化的图线如图甲所示，图乙是用热敏电阻作为传感器制作的简单自动报警器原理图。

（1）由图甲可知，热敏电阻的阻值随着温度的升高而______（选填“增大”域“减小”）；

（2）闭合开关、，为了使温度过高时报警器铃响，开关c应接在______（选填“”或“”）处；

（3）保持开关、闭合，若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。

知识点02  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．电路设计如图甲．

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．

【即学即练2】人体接近传感器又称无触点接近传感器（简称传感器），是理想的电子开关量传感器，广泛应用于各种自动控制电路中，例如写字楼的自动门、公寓的楼道灯等。兴趣小组找到一只传感器，欲先确定其对人体接近的感应特性，设计了测量电路如图（）所示，并将传感器安置在轴上距离原点处，一人从原点处沿轴运动，测得通过电流表的电流与人的位置的关系如图（），其中传感器的动作电流，接近传感器时电流时人到传感器的距离为动作距离，远离传感器时电流时人到传感器的距离为释放距离。

“与”门真值表

(1)若人行走的速度为，自动门从动作到能让人通过需要的时间为；有一条长的楼梯。则此传感器适合做___________；

A．自动门的自动控制系统，并将传感器安装在门上方

B．楼梯灯的自动控制系统，并将传感器安装在楼梯中间墙壁上

(2)传感器能提供的电流很小，不足以驱动控制电路正常工作，往往需要配合开关电路才能提供较大控制电流。有一种“与”门开关电路，符号和真值表如上表，，为两个输入端，为输出端，真值表中“0”表示与电源负极间电势差较小（低于某值，称为低电平），电路处于断开状态，“1”表示与电源负极间电势差较大（大于某值，称为高电平），电路处于接通状态。、输入端由“0”转为“1”的电压叫开门电压，由“1”转为“0”的电压叫关门电压，若此“与”门电路的开、关门电压均为，当、时，输出端处于___________（填“断开”或“接通”）状态；

(3)楼梯灯控制系统需要同时满足两个条件才能点亮：即有人接近和光线较暗。兴趣小组欲使用上述传感器和“与”门电路制作一个楼梯灯控制系统，还需要一只光敏电阻（阻值随光照强度增大而减小）和几个定值电阻、灯等，设计的电路如图（），门电路对线路电阻没有影响，若其中为定值电阻，则为___________；、中接入定值电阻的是___________。若要求当光线较暗、人到达传感器动作距离时楼梯灯亮，则与传感器串联的电阻阻值约为___________。

考法01  报警装置

【典例1】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，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），传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。回答下面传感器的应用实验中的两个问题：

(1)光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，图甲所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中S为发光仪器，小圆柱是传送带上的物品，为光敏电阻，其阻值在有光照时比没有光照时要小得多，为定值电阻。当有光照射时，信号处理系统获得________（选填“高”或“低”）电压，信号处理系统每获得一次________（选填“高”或“低”）电压就记数一次。

(2)热敏传感器利用由半导体材料制成的热敏电阻将热学量转换为电学量。热敏电阻的阻值随温度变化的图像如图乙所示，图丙是由热敏电阻作为传感器的简单自动报警器的线路图。为了使温度过高时报警器报警，c应接在________（选填“a”或“b”）处。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________（选填“左”或“右”）。

考法02  光控开关

【典例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。

题组A  基础过关练

1．图甲为一种家用门磁防盗报警器，由磁条和主机组成，门窗均可使用。乙图为其简化示意图，安装时，将磁条固定在门框上，主机安装在与其等高的门板边缘，门关上时，两者刚好靠在一起。当主机开关闭合时，若门被打开，磁条与主机分离，主机内的触发器就会工作，带动报警器发出报警声。下列有关说法正确的是（　　）

A．触发器内是一个开关，当主机与磁条靠近时，开关是断开的

B．触发器可以由铜制成

C．磁条的两极对调后，该报警器不能正常工作

D．本装置是利用电流的磁效应工作的

2．如图是电熨斗的结构图，下列说法不正确的是（　　）

A．双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属

B．常温下，上下触点接触；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离

C．需要较高温度熨烫时，要调节调温旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移

D．双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断

3．利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况．如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感器记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光．每当工件档住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系如图乙所示．若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2m，则下述说法正确的是（　　）

A．该传送带每小时输送1800个工件 B．该传送带每小时输送7200个工件

C．传送带运动的速度是0.2m/s D．传送带运动的速度是0.1m/s

4．关于发光二极管，下列说法正确的是（　　）

A．发光二极管能发光，不具有单向导电性

B．发光二极管能直接把光能转化为电能

C．发光二极管只要在两端加有正向电压，就可以发光

D．发光二极管只有加正向电压时，才有可能发光

5．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图所示，下列判断正确的是（　　）

A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动

B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动

C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动

D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动

6．如图所示为温度自动报警器的工作原理图，图中1是电磁铁、2是衔铁，5是水银温度计（水银导电）。常温下3触点处于断开状态4触点处于闭合状态，则下列说法正确的是（　　）

A．当温度低于警戒温度时电磁铁磁性增强，3触点闭合4触点断开

B．此装置为低温报警装置，温度低于警戒温度时，电铃报警

C．此装置为高温报警装置，温度高于警戒温度时，指示灯亮

D．要提高报警时的警戒温度应使导线AB短些

7．如图所示，为定值电阻，L为小灯泡，为光敏电阻,其阻值随光照强度的增强而减小，当光照强度增强时（　　）

A．电压表的示数减小 B．中电流减小

C．小灯泡的功率减小 D．电路的路端电压增大

8．如图所示为一种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，以下说法正确的是（　　）

A．温度升高至时，亮灯报警 B．温度升高至时，亮灯报警

C．温度升高至时，亮灯报警 D．温度升高至时，亮灯报警

9．电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称为“霍尔转把”，属于传感器非接触控制.转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲开启电源时，在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙.随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的电压，已知电压与车速关系如图丙.以下关于“霍尔转把”叙述正确的是（　　）

A．为提高控制的灵敏度，永久磁铁的上、下端分别为N、S极

B．按图甲顺时针转动电动车的右把手，车速将变快

C．图乙中从霍尔器件的左、右侧面输出控制车速的霍尔电压

D．若霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速控制

10．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.图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，内电阻不计，G为灵敏电流表，其内阻保持不变；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的温度等于时，电流表示数；当电流表的示数时，热敏电阻的温度是（　　）

A． B． C． D．

题组B  能力提升练

1．火警报警器的电路示意图如图所示。其中，RT为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。电流表为值班室的显示器，电源两极之间接一报警器。当传感器RT所在处出现火情时，通过显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是（　　）

A．I变大，U变大 B．I变大，U变小 C．I变小，U变大 D．I变小，U变小

2．如图所示是一种烟雾报警器的控制电路图，其简化原理是调节可变电阻使，当有烟雾时，开始触发工作，其中是光敏电阻，由此可知，要使开始工作，则应满足（　　）

A． B． C． D．无法判断

3．随着科学的发展与生活水平的提高，传感器已经进入日常生活．如图所示为某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，为光敏电阻（随光照强度的增强，阻值减小）、为定值电阻，接监控装置．则下列说法正确的是

①当有人通过遮蔽光线时，之间的电压升高

②当有人通过遮蔽光线时，之间的电压降低

③当仅增大的阻值时，之间的电压升高

①当仅减小的阻值时，之间的电压升高

A．①③ B．①④ C．②③ D．②④

4．传感器是一种采集信息的重要器件，图为测定压力的电容式传感器，将电容器、灵敏电电流表、电源连接．施加力的作用使电极发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流计指针偏转．在对膜片开始施加恒定的压力到膜片稳定，灵敏电流表指针的偏转情况为（电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏）

A．向右偏到某一刻度后不动 B．向左偏到某一刻度后不动

C．向右偏到某一刻度后回到零刻度 D．向左偏到某一刻度后回到零刻度

5．某学习小组的同学在用“多用电表研究热敏电阻特性”的实验中，安装好如图所示的装置.向杯内加入冷水，此时温度计的示数为20℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值.然后向杯内加入热水，当温度计的示数为60℃时，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是（）

A．多用电表应选用电流挡，温度升高时换用大量程测量

B．多用电表应选用电流挡，温度升高时换用小量程测量

C．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡测量

D．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡测量

6．霍尔元件是一种应用霍尔效用的磁传感器，有一个沿y轴方向的磁场，磁感应强度（B0、k均为正的常数），将一传感器固定在霍尔元件上，沿y轴方向元件的厚度为d，保持通过霍尔元件的电流I不变（方向如图中箭头所示）．当元件沿y轴方向移动时，a、b是垂直于z轴方向上元件的前后两侧面，在这两个侧面产生的电势差为U，则下列说法正确的是

A．若图中霍尔元件是电子导电，则后侧面电势高

B．若I不变，电势差U越大，则该处的磁感应强度B越小

C．若磁感应强度B不变，前后两侧面的电势差U越小，则电流I取值越大

D．k越大，传感器灵敏度越高

7．有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，其中有两个传感器，下列说法正确的是（）

A．两个传感器都是光电传感器

B．两个传感器分别是光电传感器和温度传感器

C．两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器

D．只有光照和温度都适合时排气扇才能工作

8．图甲是在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 kΩ，R2 =10 kΩ，R3 =40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。当a、b端电压Uab ≤ 0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压Uab>0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在（ ）

A．10℃ B．20℃ C．35℃ D．45℃

9．在如图所示的电路中，电池的电动势为E，内阻为r，R1为金属电阻、R2为光敏电阻、R3为热敏电阻．设电流表A的读数为I，电压表V1的读数为U1，电压表V2的读数为U2，三个电阻中仅有一个电阻的阻值发生变化，则下面的分析正确的是（   ）

A．给R1升温，I变小，U1变小 B．用光照R2，I变小，U2变大

C．给R3降温，I变大，U1变大 D．给R1降温，I变小，U1变小

10．图甲为斯密特触发器，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8 V)，Y会从低电平跳到高电平(3.4 V)．图乙为一光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻．关于斯密特触发器和光控电路的下列说法中错误的是(　　)

A．斯密特触发器的作用是将数字信号转换为模拟信号

B．斯密特触发器是具有特殊功能的非门

C．要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些

D．当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，二极管发光

题组C  培优拔尖练

1．在制作光控电路实验中，某同学按图所示电路将元件安装完毕后，发现将装置置入黑暗环境中接通电源时，灯泡不发光，原因不可能是（　　）

A．二极管两极接反 B．R1与RG位置颠倒 C．R1阻值太小 D．灯泡被断路

2．图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，红外光敏电阻受到红外线照射，电阻减小；门关闭会遮蔽红外线源（红外线源没有画出），经实际试验，灯的亮、灭能反映门的开、关状态.与门关闭时相比，门打开时两灯的发光情况以及两端的电压变化情况分别是（）

A．红灯亮，变大  B．绿灯亮，变大

C．绿灯亮，变小  D．红灯亮，变小

3．如图所示，两块金属板水平放置，与左侧水平放置的线圈通过开关K用导线连接。压力传感器上表面绝缘，位于两金属板间，带正电的小球静置于压力传感器上，均匀变化的磁场沿线圈的轴向穿过线圈。K未接通时传感器的示数为1N，K闭合后传感器的示数变为2N。则磁场的变化情况可能是（　　）

A．向上均匀增大 B．向上均匀减小

C．向下均匀减小 D．向下均匀增大

4．如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，为光敏电阻，为定值电阻，A、B接监控装置，则（    ）

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．当仅增大的阻值时，可增大A、B之间的电压

D．当仅减小的阻值时，可增大A、B之间的电压

5．某一热敏电阻的阻值随温度的变化关系如图（a）所示，利用此热敏电阻制作温控报警器，其电路的一部分如图（b）所示，E为直流电源（电动势为9V，内阻可忽略），当输出电压达到或超过6.0V时，便触发报警器（图中未画出）报警。若要求开始报警时环境温度为50℃，则下列说法中正确的是（　　）

A．R1应使用热敏电阻  B．R2应使用热敏电阻

C．R1为固定电阻，阻值为0.4kΩ D．R2为固定电阻，阻值为1.6kΩ

6．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小.有一位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示.将压敏电阻和一块挡板固定在水平绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车在水平面内向右做直线运动的过程中，电流表示数如图乙所示，压敏电阻受力为零时，，下列判断正确的是（ ）

A．从到时间内，小车做匀加速直线运动

B．从到时间内，小车做匀加速直线运动

C．从到时间内，小车做匀加速直线运动

D．从到时间内，小车可能做减速直线运动

7．如图所示，导电物质为电子的霍尔元件样品置于磁场中，表面与磁场方向垂直，图中的1、2、3、4是霍尔元件上的四个接线端．当开关S1、S2闭合后，三个电表都有明显示数，下列说法正确的是(　　)

A．通过霍尔元件的磁场方向向下

B．接线端2的电势低于接线端4的电势

C．仅将电源E1、E2反向接入电路，电压表的示数不变

D．若适当减小R1、增大R2，则电压表示数一定增大

8．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1000 Ω）；

滑动变阻器R2（最大阻值为2000 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________（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________（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________。

（3）滑动变阻器滑片的位置________（不变、向左滑动、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650Ω，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。

9．如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，滑动触头P在A端，滑动变阻器接入电路中的有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下滑动触头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大。这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量，若滑动变阻器上A、B间长度为l，最大阻值为，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为k。

（1）试导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系

（2）该装置达到最大量程时电流表示数是多少？