第10章 实验16传感器的简单应用

图 10
图 11
A.AB 间是电感线圈 B.AB 间是电容器 C.CD 间是定值电阻 D.BC 间是电感线圈
解析
将 AB 接入电路出现如题图(a)所示的电流随时
间变化的图象，说明 AB 之间是一电容器；将 BC 接入 电路将出现如题图(b)所示的电流随时间变化的图象， 说明 BC 之间是电感线圈；将 CD 接入电路将出现如题 图(c)所示的电流随时间变化的图象，说明 CD 之间是 定值电阻．所以 A 错误．
(3)实物连线如图
答案
(1)c
(2)见解析
(3)见解析
【例 2】
(2008·广东·15)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，请你在图 6 的实物图上连线．
图 12
解析
由资料中给出的电导(即电阻的倒数)——CO
浓度曲线可知电导与CO浓度成正比，CO浓度越大，
传感器电阻越小，电路中电流越大，电压表示数越 大，但是电压表示数与CO浓度不是成正比关系，所 以D正确． 答案 D
4.广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中的温度 传感器，是利用热敏电阻随温度变化而变化的特性工作 的．在图 13 甲中，电源的电动势 E＝9.0 V，内电阻不可忽 略，G 为内阻不计的灵敏电流表，R0 为保护电阻，R 为热敏 电阻，其电阻值与温度变化关系如图 13 乙的 R－t 图象所 示．则热敏电阻 R 与摄氏温度 t 的关系为 R＝________；闭 合电键 S， R 的温度等于 40℃时， 当 电流表示数 I1＝2.25 mA， 则当电流表的示数 I2 ＝3.6 mA 时，热敏电阻 R 的温度是 ________℃.
实验十六 传感器的简单应用
要点归纳
【实验目的】 1.知道传感器的作用． 2.观察热敏电阻和光敏电阻的阻值是如何随热信 号和光信号的变化而变化的． 【实验器材】 热敏电阻、光敏电阻、多用电表、烧杯、温度计、 热水、光电计数器、强光源、学生电源、小灯泡、滑动 变阻器、开关等．
【实验原理】 传感器是将物理中的非电学参量转化为便于测量 的电学参量的一类元件， 其工作过程是利用某一元件对 某一物理量敏感，将这一物理量转化为便于利用的信 号，如光电传感器利用光敏电阻将光信号转化为电信 号， 电信号便于与其他仪器连接， 进行监测或自动化控 制； 热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号 的．
图 13
解析
设热敏电阻 R 与摄氏温度 t 的关系式为 R＝kt＋b，
在 R－t 图线上取两点，例如取 40℃对应的电阻 3.5 kΩ， 120℃对应的电阻 2 kΩ，代入 R＝kt＋b 得，3 500＝k×40 ＋b,2 000＝k×120＋b，联立解得 k＝－18.75，b＝4.25× 103，所以该热敏电阻的 R－t 关系式为 R＝－18.75t＋4.25 ×10 .闭合电键 S，当 R 的温度等于 40℃时，热敏电阻 R 的 阻值为 3.5 kΩ，电流表示数 I1＝2.25 mA，由闭合电路欧 姆定律得 E＝I1(R0＋r＋3 500)，则当电流表的示数 I2＝ 3.6 mA 时，E＝I2(R0＋r＋R)，联立解得 R＝2 kΩ，由题图 乙得热敏电阻 R 的温度是 120℃.
【实验步骤】 1.研究热敏电阻的热敏特性 (1)将热敏电阻与欧姆表接成电路．如图 1
图 1
(2)通过调节水温改变热敏电阻的温度， 观察其 阻值的变化情况． 2.研究光敏电阻的光敏特性 (1)将光敏电阻与欧姆表接成电路．如图 2
图 2
(2)改变照射光的强度，观察其阻值的变化情况． 3.光电计数器 (1)连接光电计数器电路．如图 3
m0 放在转换器上，记下输出电压 U0；③将待测物体 m 放 U0 m0U 在转换器上，记下电压 U.则 k= ，m = . m0g U0
(3)①因电源电压不够而输出电压调不到零； ②待测物体 质量超出转换器量程．
答案
见解析
素能提升
1.如图 9 所示为光敏电阻自动计数器的示意图， 其中
R1 为光敏电阻，R2 为定值电阻．此光电计数器的基
本工作原理是 ( )
图 9
A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压 C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
解析 当光照射到光敏电阻 R 1 上时， R 1 电阻减小， 电路中电流增大，R2 两端电压升高，信号处理系统 获得高电压，计数器每由高电压转到低电压，就计 数一次，从而达到自动计数的目的，由以上分析选
答案
A
3.氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检 测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化．在如图 12 甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感 器的不同电阻，这样，电压表的指针位置就与一氧化 碳浓度有了对应关系，观察电压表指针就能判断一氧 化碳浓度是否超标．有一种氧化锡传感器，其技术资 料中给出的是电导(即电阻的倒数)——CO 浓度曲线， 如图 12 所示乙所示． 下列表示一氧化碳浓度 c 与电压 表示数 U0 之间关系的图象中正确的是 ( )
图 6
(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， 并据此绘得图 7 的 R－t 关系图线，请根据图线写出 该 热 敏 电 阻 的 R － t 关 系 式 ： R ＝ ________ ＋ ________t(Ω )(保留 3 位有效数字)．
3
答案
－18.75t＋4.25×103
120
返回
(3)根据电路图，在图5的实物图上连线．
图 4
图 5
(1)热敏电阻随温度的升高，阻值减小，在 I－U 图 I 1 线中，任一点的 ＝ ，可见 c 正确． 解析
U R
(2)热敏电阻约 40 Ω～50 Ω.由 电压表、电流表内阻知临界阻值
R0= RV RA =
5000 Ω=50
2
Ω.
即热敏电阻属小电阻，应用“外 接法” ，因要描绘伏安曲线电压从 0 开始连续变化．因此用 滑动变阻器的“分压式”接法，电路图如图所示．
答案
(1)如下图所示
(2)记录温度计的示数 (3)100 0.400
记录电压表的示数
【例 3】 某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器， 该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为 k)， 如 图 8 所示，测量时先调节输入的电压，使转换器空载时的输 出电压为零；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体 的质量成正比的输出电压 U.现有下列器材：力电转换器、质 量为 m0 的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、开关 及导线若干、待测物体(可置于力电转换器的受压面上)．请 在如图实 8 所示的方框内完成对该物体质量的测量．
(2)因本实验是探究热敏电阻的阻值随温度变化的特性， 所以实验需测出热敏电阻的阻值及相应的温度，热敏电
U 阻的阻值用 R＝ 间接测量，故需记录的数据是温度计 I
示数和电压表的示数． 108－104 (3)设热敏电阻 R＝R0＋kt， ＝ k ＝0.400.温度为 20－10 10℃时， 热敏电阻 R＝104 Ω， R0＝R－kt＝104－0.400 则 ×10＝100，所以 R＝100＋0.400t(Ω)．
图 8
(1)设计一个电路， 要求力电转换器的输入电压可调， 并 且使电压的调节范围尽可能大，在图 8 中画出完整的测 量电路图； (2)简要说明测量步骤，求出比例系数 k，并测出待测物 体的质量 m； (3)请设想实验中可能会出现的一个问题．
解的输出电压为零；②将砝码
图 7
思路点拨
U (1)(2)各温度下的阻值可由 R＝ 求得． 电源输出的 I
电流可读出，因此只需测出不同温度下热敏电阻两 端的电压即可．(3)由图线为直线可知 R＝R0＋kt， 其中 R0 为纵截距，k 为斜率． 解析 (1)连接实物图时导线不能交叉，电压表应并
联在电阻两端，电流由电压表的正接线柱流入电压 表．
项A、C正确．
答案 AC
2.某一电学黑箱内可能有电容器、 电感线圈、 定值电阻等元件， 在接线柱间以如图 10 所示的“Z”字形连接(两接线柱间只 有一个元件)．为了确定各元件种类，小华同学把 DIS 计算 机辅助实验系统中的电流传感器(相当于电流表)与一直流 电源、滑动变阻器、开关串联后，分别将 AB、BC、CD 接入 电路，闭合开关，计算机显示的电流随时间变化的图象分别 如图 11(a)、(b)、(c)所示(下面的水平横线表示电流为零)， 则下列说法中错误的是 ( )
图 3
(2)接通电路和光源，观察计数器的计数情况． 【注意事项】 (1)测热敏电阻时应待温度变化后再测量． (2)实验中测量的元件只能代表这些元件的特性， 不 能代表所有元件的特性．
典例剖析
【例 1】 热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法 研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线 尽可能完整． 已知常温下待测热敏电阻的阻值约 40 Ω ～50 Ω . 热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷 水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶(图 4 中未 画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约 1 Ω )、 直流电压表(内阻约 5 kΩ )、滑动变阻器(0～10 Ω )、开关、 导线若干． (1)图 4 中，a、b、c 三条图线能反映出热敏电阻的伏安特性 的曲线是________． (2)在虚线框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小．