实验：传感器的应用 课件
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新知梳理 【实验目的】 1．了解光控开关和温度报警器的工作原理． 2．练习用传感器制作自动控制设备．
【实验原理】 1．斯密特触发器：当输入端电压上升到某一值(1.6 V)时， 输出端会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，当输入端电压下降 到某一值(0.8 V)时，输出端会从低电平跳到高电平(3.4 V)． 2．普通二极管：具有单向导电性． 3．发光二极管：具有单向导电性，同时还能发光． 4．光控开关工作原理(如图 6－3－2)所示．
滑动变电阻器、干电池各一个，电键及导线若干、待测物体(可置 于力转换器的受压面上)．
请完成对该物体质量的测量． (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，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些问题．
图 6－3－7 思路点拨：热敏电阻 R1 与滑动变阻器及电磁继电器构成低 压控制电路．
解析： (1)电路图如图所示．
(2)工作过程：闭合 S，当温度低于设计值时热敏电阻阻值大， 通过电磁继电器的电流不能使它工作，K 接通电炉丝加热，当温 度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流 达到工作电流，K 断开，电炉丝断电，停止供热．当温度低于设 计值，又重复前述过程．
ຫໍສະໝຸດ Baidu
二、温度报警器实验步骤
1．按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上． 2．检查各元件的连接，确保无误． 3．接通电源，调节电阻 R1，使蜂鸣器常温下不发声． 4．用热水使热敏电阻的温度升高，注意蜂鸣器是否发声． 5．将热敏电阻从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声．
【注意事项】 1．光控开关实验 (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)二极管连入电路时，极性不能反接，否则继电器不能正常 工作． (3)要想天暗时路灯才会亮，应该把 R1 的阻值调大些． 2．温度报警器实验 (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)要使热敏电阻在较低的温度时报警应增大 R1 的阻值．
答案：(1)见解析 (2)T6 T7
图 6－3－11 【例 4】 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 6－3－11 所示．测量时先调节输入端的电压，使转换器空 载时的输出电压为零；然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、
【答案】A 【解析】由图象看出，单摆受力的最大值在减小，最小值在 增大，说明单摆做减幅振动，机械能减小，故③正确；当单摆受 力最大时应在最低点，由图可以看出 t＝0.2 s 时在最低点，而 t ＝1.1 s 时应在最高点，故①正确，②错误；由于单摆一个周期两 次经过平衡位置，故由图象可读出单摆的周期 T＝1.4 s－0.2 s＝ 1.2 s，则④不正确，故应选 A.
反思领悟： 该电路可以用于恒温箱、自动孵化器等，电路设计是高中电 学应了解的内容，对于培养能力、理论联系实际将起到推动作用， 也是高考的趋向．
创新拓展 几种传感器的工作原理分析
图 6－3－10 【例 3】 一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随 温度 t 变化的关系如图 6－3－10 中实线①所示，由于环境温度以 及熨烫的衣服厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因 而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用 主要成分为 BaTiO3，被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨 斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC 材料的电阻随温 度变化的关系如图中实线②所示．
解析： (1)设计的电路如图所示．
(2)测量步骤与结果： ①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零． ②将砝码放在转换器的受压面上，记下输出电压 U0. 由 U0＝km0，得 k＝Um00. ③将待测物体放在转换器的受压面上，记下输出电压 U. 由 U＝km 得 m＝mU00U.
(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．
反思领悟：斯密特触发器是具有特殊功能的非门，常用符号
表示；在逻辑电路中，经常把电势的高低叫做“电平”的 高低，“输出低电平”的意思是，输出端处于低电势的状态．
题型 2电磁继电器与自动控制 【例 2】 现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动 变阻器、开关和导线若干．如图 6－3－7 所示，试设计一个温控 电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某 一温度时，又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程．
1．如图 6－3－3 所示是继电器的原理图，当在接线柱 2、3 间接入电源时，电磁铁便使衔铁 P 脱离 A 而与 B 接触，从而达到 控制电路的目的．接线柱__2_、__3___与接有电源的热敏电阻串接， 接线柱___1_、__5___与外电路串接，即可在温度过高时切断外电路， 实现对外电路的自动控制．
解析：天较亮时，光敏电阻 RG 阻值较小，斯密特触发器输 入端 A 电势较低，则输出端 Y 输出高电平，线圈中无电流，工 作电路不通；天较暗时，光敏电阻 RG 电阻增大，斯密特触发器 输入端 A 电势升高，当升高到一定值，输出端 Y 由高电平突然 跳到低电平，有电流通过线圈 A，电磁继电器工作，接通工作电 路，使路灯自动开启；天明后，RG 阻值减小，斯密特触发器输入 端 A 电势逐渐降低，降到一定值，输出端 Y 突然由低电平跳到 高电平，则线圈 A 不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的 电源，路灯熄灭．
题型 1实验原理的分析 【例 1】如图 6－3－5 所示为低压控制电路操纵路灯工作的 电路，试分析其工作原理．
图 6－3－5
思路点拨：电磁继电路的工作原理：因集成电路允许通过的 电流较小，白炽灯泡工作电流较大，所以使用继电器来启闭工作 电路．如题干图所示虚线框内是电磁继电器 J，D 为动触点，E 为静触点．当线圈 A 中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁 B 向 下运动，从而带动触点 D 向下与 E 接触，工作电路接通；当线圈 A 中电流为零时，电磁继失去磁性，衔铁 B 在弹簧作用下拉起， 带动触点 D 与 E 分离，自动切断工作电路．
图 6－3－2
甲图：白天，光强度较大，光敏电阻 RG 阻值较小，加在斯 密特触发器输入端 A 的电压较低，则输出端 Y 输出高电平，发 光二极管 LED 不导通；当天色暗到一定程度时，RG 阻值增大到 一定值，斯密特触发器的输入端 A 的电压上升到 1.6 V，输出端 Y 突然从高电平跳到低电平，则发光二极管 LED 导通发光(相当 于路灯亮了)，天明后，RG 阻值减小，斯密特触发器输入端 A 电 势逐渐降低，降到 0.8 V 时，输出端 Y 突然由低电平跳到高电平， 二极管 LED 熄灭．这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自 动开启的目的．
2．温度报警器实验：斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、 可变电阻 R1(最大阻值 1 kΩ)、集成电路实验板、直流电源(5 V)、 导线若干、烧杯(盛有热水)．
【实验步骤】 一、光控开关实验步骤 1．按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上． 2．检查各元件的连接，确保无误． 3．接通电源，调节电阻 R1，使发光二极管或灯泡在普通光 照条件下不亮． 4．用黑纸逐渐遮住光敏电阻，观察发光二极管或灯泡的状 态． 5．逐渐撤掉黑纸，观察发光二极管或灯泡的状态．
接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG 阻值减小，斯密特 触发器输入端 A 电势逐渐降低，降到一定值，输出端 Y 突然由 低电平跳到高电平，则线圈中不再有电流，则电磁继电器自动切
断工作电路的电源，路灯熄灭．
【实验器材】
1．光控开关实验：斯密特触发器、发光二极管、二极管、 继电器、灯泡(6 V,0.3 A)、可变电阻 R1(最大阻值 51 kΩ)、电阻 R2(330 Ω)、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若 干、黑纸．
根据图线分析： (1)为什么处于冷态的 PTC 熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温 快？
(2) 通 电 一 段 时 间 后 电 熨 斗 温 度 t 自 动 地 稳 定 在 ________<t<________范围之内．
解析： (1)由于冷态时 PTC 材料电阻很小，故由 P＝UR2知，其发热 功率很大，所以升温很快． (2)在 T6～T7 之间，电熨斗放出的热量和产生的热量 才有可能相等，达到热平衡状态，所以电熨斗温度 t 自动地 稳定在 T6<t<T7 范围之内．
乙图：控制电路原理：天较亮时，光敏电阻 RG 阻值较小， 斯密特触发器输入端 A 电压较低，则输出端 Y 输出高电平，线 圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻 RG 电阻增大， 斯密特触发器输入端 A 电势升高，当升高到一定值，输出端 Y 由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈，电磁继电器工作，
图 6－3－3
2．将一个电容传感器接到计算机上，就可以测量快速变化 的力，用这种方法测得的某单摆摆动时悬线上拉力的大小随时间 变化的曲线如图 6－3－4 所示，某同学由此图线提供的信息做出 了下列判断：
图 6－3－4
①t＝0.2 s 时，摆球正经过最低点 ②t＝1.1 s 时，摆球正经过最低点 ③摆球摆动过程中机械能减小 ④摆球摆动的周期是 T＝1.4 s 上述判断中，正确的是( ) A．①③ B．②③ C．③④ D．②④
【实验原理】 1．斯密特触发器：当输入端电压上升到某一值(1.6 V)时， 输出端会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，当输入端电压下降 到某一值(0.8 V)时，输出端会从低电平跳到高电平(3.4 V)． 2．普通二极管：具有单向导电性． 3．发光二极管：具有单向导电性，同时还能发光． 4．光控开关工作原理(如图 6－3－2)所示．
滑动变电阻器、干电池各一个，电键及导线若干、待测物体(可置 于力转换器的受压面上)．
请完成对该物体质量的测量． (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，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些问题．
图 6－3－7 思路点拨：热敏电阻 R1 与滑动变阻器及电磁继电器构成低 压控制电路．
解析： (1)电路图如图所示．
(2)工作过程：闭合 S，当温度低于设计值时热敏电阻阻值大， 通过电磁继电器的电流不能使它工作，K 接通电炉丝加热，当温 度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流 达到工作电流，K 断开，电炉丝断电，停止供热．当温度低于设 计值，又重复前述过程．
ຫໍສະໝຸດ Baidu
二、温度报警器实验步骤
1．按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上． 2．检查各元件的连接，确保无误． 3．接通电源，调节电阻 R1，使蜂鸣器常温下不发声． 4．用热水使热敏电阻的温度升高，注意蜂鸣器是否发声． 5．将热敏电阻从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声．
【注意事项】 1．光控开关实验 (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)二极管连入电路时，极性不能反接，否则继电器不能正常 工作． (3)要想天暗时路灯才会亮，应该把 R1 的阻值调大些． 2．温度报警器实验 (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)要使热敏电阻在较低的温度时报警应增大 R1 的阻值．
答案：(1)见解析 (2)T6 T7
图 6－3－11 【例 4】 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 6－3－11 所示．测量时先调节输入端的电压，使转换器空 载时的输出电压为零；然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、
【答案】A 【解析】由图象看出，单摆受力的最大值在减小，最小值在 增大，说明单摆做减幅振动，机械能减小，故③正确；当单摆受 力最大时应在最低点，由图可以看出 t＝0.2 s 时在最低点，而 t ＝1.1 s 时应在最高点，故①正确，②错误；由于单摆一个周期两 次经过平衡位置，故由图象可读出单摆的周期 T＝1.4 s－0.2 s＝ 1.2 s，则④不正确，故应选 A.
反思领悟： 该电路可以用于恒温箱、自动孵化器等，电路设计是高中电 学应了解的内容，对于培养能力、理论联系实际将起到推动作用， 也是高考的趋向．
创新拓展 几种传感器的工作原理分析
图 6－3－10 【例 3】 一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随 温度 t 变化的关系如图 6－3－10 中实线①所示，由于环境温度以 及熨烫的衣服厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因 而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用 主要成分为 BaTiO3，被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨 斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC 材料的电阻随温 度变化的关系如图中实线②所示．
解析： (1)设计的电路如图所示．
(2)测量步骤与结果： ①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零． ②将砝码放在转换器的受压面上，记下输出电压 U0. 由 U0＝km0，得 k＝Um00. ③将待测物体放在转换器的受压面上，记下输出电压 U. 由 U＝km 得 m＝mU00U.
(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．
反思领悟：斯密特触发器是具有特殊功能的非门，常用符号
表示；在逻辑电路中，经常把电势的高低叫做“电平”的 高低，“输出低电平”的意思是，输出端处于低电势的状态．
题型 2电磁继电器与自动控制 【例 2】 现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动 变阻器、开关和导线若干．如图 6－3－7 所示，试设计一个温控 电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某 一温度时，又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程．
1．如图 6－3－3 所示是继电器的原理图，当在接线柱 2、3 间接入电源时，电磁铁便使衔铁 P 脱离 A 而与 B 接触，从而达到 控制电路的目的．接线柱__2_、__3___与接有电源的热敏电阻串接， 接线柱___1_、__5___与外电路串接，即可在温度过高时切断外电路， 实现对外电路的自动控制．
解析：天较亮时，光敏电阻 RG 阻值较小，斯密特触发器输 入端 A 电势较低，则输出端 Y 输出高电平，线圈中无电流，工 作电路不通；天较暗时，光敏电阻 RG 电阻增大，斯密特触发器 输入端 A 电势升高，当升高到一定值，输出端 Y 由高电平突然 跳到低电平，有电流通过线圈 A，电磁继电器工作，接通工作电 路，使路灯自动开启；天明后，RG 阻值减小，斯密特触发器输入 端 A 电势逐渐降低，降到一定值，输出端 Y 突然由低电平跳到 高电平，则线圈 A 不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的 电源，路灯熄灭．
题型 1实验原理的分析 【例 1】如图 6－3－5 所示为低压控制电路操纵路灯工作的 电路，试分析其工作原理．
图 6－3－5
思路点拨：电磁继电路的工作原理：因集成电路允许通过的 电流较小，白炽灯泡工作电流较大，所以使用继电器来启闭工作 电路．如题干图所示虚线框内是电磁继电器 J，D 为动触点，E 为静触点．当线圈 A 中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁 B 向 下运动，从而带动触点 D 向下与 E 接触，工作电路接通；当线圈 A 中电流为零时，电磁继失去磁性，衔铁 B 在弹簧作用下拉起， 带动触点 D 与 E 分离，自动切断工作电路．
图 6－3－2
甲图：白天，光强度较大，光敏电阻 RG 阻值较小，加在斯 密特触发器输入端 A 的电压较低，则输出端 Y 输出高电平，发 光二极管 LED 不导通；当天色暗到一定程度时，RG 阻值增大到 一定值，斯密特触发器的输入端 A 的电压上升到 1.6 V，输出端 Y 突然从高电平跳到低电平，则发光二极管 LED 导通发光(相当 于路灯亮了)，天明后，RG 阻值减小，斯密特触发器输入端 A 电 势逐渐降低，降到 0.8 V 时，输出端 Y 突然由低电平跳到高电平， 二极管 LED 熄灭．这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自 动开启的目的．
2．温度报警器实验：斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、 可变电阻 R1(最大阻值 1 kΩ)、集成电路实验板、直流电源(5 V)、 导线若干、烧杯(盛有热水)．
【实验步骤】 一、光控开关实验步骤 1．按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上． 2．检查各元件的连接，确保无误． 3．接通电源，调节电阻 R1，使发光二极管或灯泡在普通光 照条件下不亮． 4．用黑纸逐渐遮住光敏电阻，观察发光二极管或灯泡的状 态． 5．逐渐撤掉黑纸，观察发光二极管或灯泡的状态．
接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG 阻值减小，斯密特 触发器输入端 A 电势逐渐降低，降到一定值，输出端 Y 突然由 低电平跳到高电平，则线圈中不再有电流，则电磁继电器自动切
断工作电路的电源，路灯熄灭．
【实验器材】
1．光控开关实验：斯密特触发器、发光二极管、二极管、 继电器、灯泡(6 V,0.3 A)、可变电阻 R1(最大阻值 51 kΩ)、电阻 R2(330 Ω)、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若 干、黑纸．
根据图线分析： (1)为什么处于冷态的 PTC 熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温 快？
(2) 通 电 一 段 时 间 后 电 熨 斗 温 度 t 自 动 地 稳 定 在 ________<t<________范围之内．
解析： (1)由于冷态时 PTC 材料电阻很小，故由 P＝UR2知，其发热 功率很大，所以升温很快． (2)在 T6～T7 之间，电熨斗放出的热量和产生的热量 才有可能相等，达到热平衡状态，所以电熨斗温度 t 自动地 稳定在 T6<t<T7 范围之内．
乙图：控制电路原理：天较亮时，光敏电阻 RG 阻值较小， 斯密特触发器输入端 A 电压较低，则输出端 Y 输出高电平，线 圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻 RG 电阻增大， 斯密特触发器输入端 A 电势升高，当升高到一定值，输出端 Y 由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈，电磁继电器工作，
图 6－3－3
2．将一个电容传感器接到计算机上，就可以测量快速变化 的力，用这种方法测得的某单摆摆动时悬线上拉力的大小随时间 变化的曲线如图 6－3－4 所示，某同学由此图线提供的信息做出 了下列判断：
图 6－3－4
①t＝0.2 s 时，摆球正经过最低点 ②t＝1.1 s 时，摆球正经过最低点 ③摆球摆动过程中机械能减小 ④摆球摆动的周期是 T＝1.4 s 上述判断中，正确的是( ) A．①③ B．②③ C．③④ D．②④