第3講實驗：傳感器的簡單應用見學生用書P177微知識1實驗目的1．了解傳感器的工作過程，掌握敏感元件的特性。2．學會傳感器的簡單使用。微知識2實驗原理傳感器是將它感受的物理量(如力、熱、光、聲等)轉換成便于測量的量(一般是電學量)，其工作過程是通過對某一物理量敏感的元件將感受到的信號按一定規律轉換成便于利用的信號。例如，光電傳感器是利用光敏電阻將光信號轉換成電信號，熱電傳感器是利用熱敏電阻或金屬熱電阻將溫度信號轉換成電信號，轉換后的信號經過電子電路的處理就可以達到自動控制、遙控等各種目的了。微知識3實驗器材熱敏電阻，光敏電阻，燒杯，溫度計，熱水，多用電表，小燈泡，學生電源，開關與導線，滑動變阻器，鐵架臺，光電計數器。微知識4實驗步驟1．研究熱敏電阻的熱敏特性(1)按圖所示連接好電路，將熱敏電阻絕緣處理，多用電表的選擇開關置于“×100”(2)先用多用電表測出燒杯中沒有熱水時熱敏電阻的阻值，并記下溫度計的示數。(3)向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒在冷水中，記下溫度計的示數和多用電表測量的熱敏電阻的阻值。(4)將熱水分幾次注入燒杯中，測出不同溫度下熱敏電阻的阻值，并記錄。(5)根據記錄數據，分析熱敏電阻的特性。2．研究光敏電阻的光敏特性(1)將光電傳感器、多用電表、燈泡、滑動變阻器按圖所示電路連接好，其中多用電表置于“×1k”擋。(2)先測出小燈泡不發光時光敏電阻的阻值，并記錄數據。(3)打開電源，讓小燈泡發光，調節小燈泡的亮度，使之逐漸變亮，觀察表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。(4)根據記錄數據，分析光敏電阻的特性。3．將手掌或一個厚紙板插入光源和光電計數器之間，觀察、分析光電計數器的工作原理。微知識5數據處理根據上面記錄的數據，完成以下表格內容。1．研究熱敏電阻的熱敏特性2.研究光敏電阻的光敏特性微知識6注意事項1．熱敏電阻、燒杯、溫度計容易破損，實驗中注意輕拿輕放。2．光電計數器、小燈泡的額定電壓比較小(不超過6V)，實驗中切忌超過其額定電壓損壞器材。3．燒杯中加水時，要等熱敏電阻溫度穩定后再測量其阻值。一、思維辨析(判斷正誤，正確的畫“√”，錯誤的畫“×”。)1．熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小。(√)2．金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而減小。(×)3．光敏電阻的阻值隨光照強度的增大而增大。(×)二、對點微練1．(傳感器的原理)(多選)關于傳感器的作用，下列說法正確的有()A．通常的傳感器可以直接用來進行自動控制B．傳感器可以用來采集信息C．傳感器可以將感受到的一些信號轉換為電學量D．傳感器可以將所有感受到的信號都轉換為電學量解析傳感器是將感受到的非電學量轉化為電學量的儀器，不同的傳感器感受不同的信號，B、C項對。答案BC2．(熱敏電阻)如圖所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數的熱敏電阻(負溫度系數熱敏電阻是指阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻)，L為小燈泡，當溫度降低時()A．R1兩端的電壓增大B．電流表的示數增大C．小燈泡的亮度變強D．小燈泡的亮度變弱解析溫度降低時R2增加，干路電流減小，R1兩端電壓、電流表示數都減小，燈泡兩端電壓變大、亮度變強。答案C3．(光敏電阻)街旁的路燈、江海里的航標都要求在夜晚亮，白天熄，利用半導體的電學特性制成了自動點亮、熄滅的裝置，實現了自動控制，這是利用半導體的()A．壓敏性 B．光敏性C．熱敏性 D．三種特性都利用解析街旁的路燈和江海里的航標，都是利用了半導體的光敏性，夜晚電阻大，白天電阻小，控制了電路的通斷。答案B見學生用書P178微考點1熱敏電阻的原理及應用核|心|微|講金屬熱電阻和熱敏電阻金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。與金屬不同的是有些半導體的導電能力隨溫度的升高而增強，故可以用半導體材料制成熱敏電阻。與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學穩定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。典|例|微|探【例1】某同學嘗試把一個靈敏電流表改裝成溫度表，他所選用的器材有：靈敏電流表(待改裝)，學生電源(電動勢為E，內阻不計)，滑動變阻器，單刀雙擲開關，導線若干，導熱性能良好的防水材料，標準溫度計，PTC熱敏電阻Rt(PTC線性熱敏電阻的阻值與攝氏溫度t的關系為Rt＝a＋kt，a>0，k>0)。設計電路圖如圖所示，并按如下步驟進行操作。(1)按電路圖連接好實驗器材。(2)將滑動變阻器滑片P滑到________(填“a”或“b”)端，單刀雙擲開關S擲于________(填“c”或“d”)端，調節滑片P使電流表________，并在以后的操作中保持滑片P位置不動，設此時電路總電阻為R，斷開電路。(3)容器中倒入適量開水，觀察標準溫度計，每當標準溫度計示數下降5℃，就將開關S置于d端，并記錄此時的溫度t和對應的電流表的示數I，然后斷開開關。請根據溫度表的設計原理和電路圖，寫出電流與溫度的關系式I(4)根據對應溫度記錄的電流表示數，重新刻制電流表的表盤，改裝成溫度表。根據改裝原理，此溫度表表盤刻度線的特點：低溫刻度在________(填“左”或“右”)側，刻度線分布是否均勻？________(填“是”或“否”)?！窘忸}導思】(1)滑動變阻器為分壓式接法還是限流式接法？閉合開關前，滑動變阻器連入電路的電阻值是最大還是最小？答：滑動變阻器應為限流式接法，閉合開關前，滑動變阻器連入電路的電阻值最大。(2)低溫刻度在表盤的左側還是右側？答：溫度越低，電阻越小，回路中I越大，所以低溫度刻度在右側。解析(2)分析電路可知滑動變阻器為限流式接法，所以閉合開關前，使它的阻值處于最大值狀態，即將滑片P滑到a端。為了設計表盤刻度，應使開關擲于c處，調節滑片，使電流表滿偏。(3)把開關置于d端，根據閉合電路歐姆定律得I＝eq\f(E,R＋Rt)，又Rt＝a＋kt，聯立得出電流與溫度的關系式為I＝eq\f(E,R＋a＋kt)。(4)因為Rt＝a＋kt(且a>0，k>0)，所以溫度越低，電阻越小，回路中I越大，所以低溫度刻度在右側，由(3)中關系式可知電流與溫度不是線性關系，所以刻度線分布不均勻。答案(2)ac滿偏(3)eq\f(E,R＋a＋kt)(4)右否題|組|微|練1．如圖所示是在溫度為10℃左右的環境中工作的某自動恒溫箱原理簡圖，箱內的電阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖所示，當a、b端電壓Uab＜0時，電壓鑒別器會令開關S接通，恒溫箱內的電熱絲發熱，使箱內溫度提高；當Uab＞0時，電壓鑒別器使S斷開，停止加熱，則恒溫箱內的溫度大約恒定在__________℃解析當Uab＝0時，設通過R1與R2的電流是I1，通過R3及Rt的電流是I2，則有I1R1＝I2R3、I1R2＝I2Rt，兩式相比得Rt＝eq\f(R2,R1)R3＝20kΩ，從圖可得，Rt＝20kΩ時對應的溫度約是35℃。其原理為當熱敏電阻的溫度(即恒溫箱內的溫度)高于35℃時，其電阻將小于20kΩ，則I2將增大，R3兩端電壓增大，b點電勢將降低，使得Uab＞0，據題意，此時電壓鑒別器使S斷開，電熱絲停止工作，溫度就逐漸降低；當熱敏電阻的溫度低于35℃時，其電阻將大于20kΩ，則I2將減小，R3兩端電壓減小，b點電勢將升高，使得Uab＜0，據題意，此時電壓鑒別器使S閉合，電熱絲工作，溫度又逐漸升高。這樣，就使得恒溫箱內的溫度大約恒定在答案35原理見解析2．如圖所示，圖甲為熱敏電阻的R－t圖象，圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路，繼電器的電阻為100Ω。當線圈的電流大于或等于20mA時，繼電器的銜鐵被吸合。為繼電器線圈供電的電池的電動勢E＝9.0V，內阻不計。圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源。(1)應該把恒溫箱內的加熱器接在________(填“A、B端”或“C、D端”)。(2)如果要使恒溫箱內的溫度保持在50℃，可變電阻R′解析恒溫箱內的加熱器應接在A、B端。當線圈中的電流較小時，繼電器的銜鐵在上方，恒溫箱的加熱器處于工作狀態，恒溫箱內溫度升高。隨著恒溫箱內溫度升高，熱敏電阻R的阻值變小，則線圈中的電流變大，當線圈的電流大于或等于20mA時，繼電器的銜鐵被吸到下方來，則恒溫箱加熱器與電源斷開，加熱器停止工作，恒溫箱內溫度降低。隨著恒溫箱內溫度降低，熱敏電阻R的阻值變大，則線圈中的電流變小，當線圈的電流小于20mA時，繼電器的銜鐵又被釋放到上方，則恒溫箱加熱器又開始工作，這樣就可以使恒溫箱內保持在某一溫度。要使恒溫箱內的溫度保持在50℃，即50℃時線圈內的電流為20mA。由閉合電路歐姆定律I＝eq\f(E,r＋R＋R′)，r為繼電器的電阻。由題圖甲可知，50℃時熱敏電阻的阻值為90Ω，所以R′＝eq\f(E,I)－(r＋R)＝260Ω。答案(1)A、B端(2)260微考點2光敏電阻的原理及應用核|心|微|講光敏電阻在被光照射時電阻發生變化，光照增強電阻變小，光照減弱電阻變大。典|例|微|探【例2】為了節能環保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統。光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度的單位為lx)。(1)某光敏電阻R在不同照度下的阻值如下表，根據表中已知數據，在如圖甲的坐標系中描繪出了阻值隨照度變化的曲線。由圖象可求出照度為1.0lx時的電阻約為________kΩ。照度/lx0.20.40.60.81.01.2電阻/kΩ5.83.72.82.31.8(2)如圖乙所示是街道路燈自動控制模擬電路，利用直流電源為電磁鐵供電，利用照明電源為路燈供電。為達到天亮燈熄、天暗燈亮的效果，路燈應接在________(填“A、B”或“B、C”)之間，請用筆畫線代替導線，正確連接電路元件。(3)用多用電表的歐姆擋選“×10”的倍率，按正確步驟測量圖中電磁鐵線圈電阻時，指針示數如圖丙所示，則線圈的電阻為________Ω。已知當線圈中的電流大于或等于2mA時，繼電器的銜鐵將被吸合。圖中直流電源的電動勢E＝6V，內阻忽略不計，滑動變阻器有三種規格可供選擇：R1(0～10Ω，2A)、R2(0～200Ω，1A)、R3(0～1750Ω，0.1A)。要求天色漸暗照度降低至1.0lx時點亮路燈，滑動變阻器應選擇________(填“R1”“R2”或“R3”)。為使天色更暗時才點亮路燈，應適當地________(填“增大”或【解題導思】光敏電阻的阻值隨光照強度的增大如何變化？答：光敏電阻的阻值隨光照強度的增大而減小。解析(1)從圖中讀出對應于照度為1.0lx時的縱坐標可得對應電阻值。(2)天亮時光照強度增大，光敏電阻的阻值減小，電磁鐵中電流增大，磁場增強，吸引銜鐵向下與C接通，燈熄滅，故燈泡應接在A、B之間。實驗連接圖見答案。(3)多用電表讀數為140Ω。路燈點亮時電磁鐵中電流小于2mA，則電路中總阻值R＝eq\f(E,I)>3kΩ，此時光敏電阻的阻值小于2kΩ，則滑動變阻器接入電路中的阻值應不小于1kΩ，故應選用R3。由于電磁鐵中電流在減小到2mA時才能放開銜鐵，路燈才能發光，故路燈發光時控制電路中總電阻是一定的，要使天色更暗時才點亮路燈，則要求在控制電路中的電流達到2mA時光敏電阻的阻值更大，故滑動變阻器接入電路中的阻值應減小。答案(1)2.0(2)A、B如圖所示(3)140R3減小題|組|微|練3.(多選)如圖所示為光敏電阻自動計數示意圖，被計數的制品放在傳送帶上，光源安裝在傳送帶一側，光電計數裝置(信息處理系統)安裝在傳送帶的另一側，其中R1是光敏電阻，R2是定值電阻，每當有制品通過時，光被擋住，計數器就自動把制品數目記錄下來。關于此光電計數器的運用，下列說法正確的是()A．當有光照射R1時，信號處理系統獲得低電壓B．當有光照射R1時，信號處理系統獲得高電壓C．信號處理系統每獲得一次高電壓就計數一次D．信號處理系統每獲得一次低電壓就計數一次解析當有光照到R1時，R1電阻率降低，電阻變小，電路電流變大，定值電阻R2兩端電壓變大，所以R1分得的電壓要變小，與之并聯的信號處理系統電壓也會變??；同理，當有制品通過時，照向R1的光被制品擋住，R1電阻率變大，其電阻隨之變大，信號處理系統獲得較高電壓，所以正確答案是AC。答案AC4．為了節能和環保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統。光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強照度越大，照度單位為lx)。某光敏電阻ROS在不同照度下的阻值如下表所示：照度(lx)0.20.40.60.81.01.2電阻(kΩ)754028232018(1)根據表中數據，請在圖中給定的坐標系中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并說明阻值隨照度變化的特點。(2)如圖所示，當1、2兩端所加電壓上升至2V時，控制開關自動啟動照明系統，請利用下列器材設計一個簡單電路給1、2兩端提供電壓，要求當天色漸暗、照度降低至1.0lx時啟動照明系統，在虛線框內完成電路原理圖。(不考慮控制開關對所設計電路的影響)提供的器材如下：光敏電阻ROS(符號，阻值見上表)直流電源E(電動勢3V，內阻不計)；定值電阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限選其中之一并在圖中標出)開關S及導線若干。解析(1)根據表中的數據，在坐標系中描點連線，得到如圖所示的變化曲線。由圖可知阻值隨照度變化的特點：光敏電阻的阻值隨光照強度的增大非線性減小。(2)因天色漸暗、照度降低至1.0lx時啟動照明系統，此時光敏電阻阻值為20kΩ，兩端電壓為2V，電源電動勢為3V，故應加上一個分壓電阻，分壓電阻阻值為10kΩ，即選用R1。此電路的原理圖如圖所示。答案見解析見學生用書P1801．(多選)如圖，電容式觸摸屏的構造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導體層，再在導體層外加上一塊保護玻璃，電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導體層內形成一個低電壓交流電場，在觸摸屏幕時，由于人體是導體，手指與內部導體層間會形成一個特殊電容(耦合電容)，四邊電極發出的電流會流向觸點，而電流強弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏后的控制器便會計算電流的比例及強弱，準確算出觸摸點的位置。由以上信息可知，下列說法正確的是()A．電容式觸摸屏的兩極板分別是導體層和手指B．當用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大，電容越大C．當用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大，電容越小D．當用手觸摸屏幕時，手指和屏的接觸面積的大小影響電容的大小解析電容式觸摸屏在原理上把人的手指當作一個電容器元件的一個極板，把導體層當作另一極板，故選項A正確；手指和屏的接觸面積大小會影響到電容大小，接觸面積越大，即兩極板的正對面積越大，電容越大，故選項B、D正確，C錯誤。答案ABD2．如圖甲為某一熱敏電阻(電阻值隨溫度的改變而改變，且對溫度很敏感)的I－U關系曲線圖。(1)為了通過測量得到如圖甲所示的I－U關系的完整曲線，在圖乙(a)和(b)兩個電路中應選擇的是圖________；簡要說明理由：__________________________________________________________________________________________________________________。(電源電動勢為9V，內阻不計，滑動變阻器的阻值為0～100Ω)(2)在如圖丙所示電路中，電源電壓恒為9V，電流表讀數為70mA，定值電阻R1＝250Ω。由熱敏電阻的I－U關系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為________V；電阻R2的阻值為________Ω。解析(1)應選擇圖(a)，因為圖(a)電路電壓可從0V調到所需電壓，電壓調節范圍大。(2)由題圖知R2與熱敏電阻串聯后，與R1并聯接在9V電源上，總電流I＝70mA，R1＝250Ω。設通過熱敏電阻的電流為I2，通過R1的電流為I1，則I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(70－\f(9,250)×103))mA＝34mA。由圖象查得34mA對應的電壓為5.2V，R2兩端電壓U2＝9.0V－5.2V＝3.8V，所以R2＝eq\f(3.8V,34×10－3A)＝111.8Ω。答案(1)(a)因為(a)電路電壓可從0V調到所需電壓，電壓調節范圍大(2)5.2111.83．傳感器擔負著信息采集的任務，在自動控制中發揮著重要作用，傳感器能夠