利用傳感器制作簡單的自動控制裝置實驗19內容索引0102必備知識落實實驗能力形成03鞏固提升檢測必備知識落實一、實驗目的1.了解半導體薄膜壓力傳感器的特性。2.認識熱敏電阻、光敏電阻等敏感元件的特性。3.了解傳感器的簡單應用。二、實驗原理1.傳感器的作用:傳感器能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等被測量,并能把它們按照一定的規律轉換為便于傳送和處理的可用信號輸出。通常轉換成的可用信號是電壓、電流等電學量,或轉換為電路的通斷。2.傳感器應用的一般模式。三、實驗器材RFP602型半導體薄膜壓力傳感器、數字多用表、圓柱體質量塊(砝碼)、聚氨酯橡膠墊片、熱敏電阻、光敏電阻、鐵架臺、燒杯、冷水、熱水、溫度計、小燈泡、學生電源、滑動變阻器、開關、導線等。四、實驗過程1.研究半導體薄膜壓力傳感器的特性(1)實驗步驟。①取RFP602型半導體薄膜壓力傳感器一片,將其圓形敏感區域固定在鐵架臺支架平面上,用一個圓柱體質量塊(砝碼)壓在該敏感面上,如圖所示。②在圓柱體與應變片之間墊一個面積相當于有效區域的聚氨酯橡膠墊片,使應變片受力均勻。③把一個U形金屬框架的上沿壓在圓柱體上并固定,框架下端懸吊鉤碼。④調整U形金屬框架、橡膠墊片和壓在傳感器敏感面上圓柱體的總質量,使其恰好為一只鉤碼的質量,即50g,則產生的壓力為0.5N。⑤傳感器的兩根引線跟數字多用表兩表筆相連。數字多用表調到電阻擋,測量傳感器的電阻并記錄在下表中。⑥改變鉤碼的數量,測量不同壓力下傳感器的電阻值并記錄在下表中。(2)數據處理。以傳感器所受的壓力F為橫軸、傳感器電阻R為縱軸建立直角坐標系,如圖所示。用表中的16組數據在坐標系中描點,將這些點用光滑曲線連接起來。分析圖像,得出結論:隨著壓力的增大,傳感器的電阻不斷減小;在壓力小于2N的區間,曲線較陡,電阻隨壓力變化比較顯著;壓力大于2N以后,曲線變化趨于平緩。2.研究熱敏電阻的熱敏特性(1)實驗步驟。①按右圖連接好實物,將熱敏電阻絕緣處理。②將多用電表置于“歐姆”擋,選擇適當的量程測出燒杯中在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。(2)數據處理。①根據記錄數據,把測量到的溫度、電阻值填入下表中,分析熱敏電阻的特性。②在如圖所示坐標系中,粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。

③根據實驗數據和R-t圖線,得出結論:熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,隨溫度的降低而增大。3.研究光敏電阻的光敏特性(1)實驗步驟。①將光敏電阻、多用電表、燈泡、滑動變阻器、學生電源按如圖所示的電路連接好,其中多用電表置于“×100”擋。

②先測出在室內自然光的照射下光敏電阻的阻值,并記錄數據。③接通電源,讓小燈泡發光,調節滑動變阻器使小燈泡的亮度逐漸變亮,觀察表盤指針顯示電阻阻值的情況,并記錄。④用手掌(或黑紙)遮住光,觀察光敏電阻的阻值,并記錄。(2)數據處理。把記錄的結果填入下表中,根據記錄數據分析光敏電阻的特性。結論:光敏電阻被光照射時阻值發生變化,光照增強電阻變小,光照減弱電阻變大。五、注意事項1.在做熱敏電阻實驗時,加開水后要等一會兒再測其阻值,以使電阻溫度與水的溫度相同,并同時讀出水溫。2.在做光敏電阻實驗時,如果效果不明顯,可將光敏電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中,并通過蓋上的小孔改變射到光敏電阻上的光的多少。3.電阻表每次換擋后都要重新調零。六、誤差分析1.溫度計讀數帶來誤差。2.多用電表讀數帶來誤差。3.熱敏電阻與水溫不同帶來誤差。4.作R-t圖像時不規范易造成誤差。實驗能力形成能力形成點1力傳感器的實際應用【例1】

有一種測量人的體重的電子秤,其測量部分的原理圖如圖中的虛線框所示,它主要由力傳感器R(阻值會隨所受壓力大小發生變化的可變電阻)和顯示體重大小的儀表A(實質是理想的電流表)組成。力傳感器表面能承受的最大壓強為1×107Pa,且已知力傳感器R的電阻與所受壓力的關系如下表所示。設踏板和壓桿的質量可以忽略不計,接通電源后,力傳感器兩端的電壓恒為4.8V,g取10m/s2。(1)該秤零起點(即踏板空載時)的刻度線應標在電流表刻度盤________A處。

(2)如果某人站在該秤踏板上,電流表刻度盤的示數為20mA,這個人的體重是____________kg。

1.6×10-250能力形成點2熱敏電阻的原理及實際應用【例2】

由對溫度敏感的半導體材料制成的某熱敏電阻RT,在給定溫度范圍內,其阻值隨溫度的變化是非線性的。某同學將RT和兩個適當的固定電阻R1、R2連成圖甲虛線框內所示的電路,以使該電路的等效電阻RL的阻值隨RT所處環境溫度的變化近似為線性的,且具有合適的阻值范圍。為了驗證這個設計,他采用伏安法測量在不同溫度下RL的阻值,測量電路如圖甲所示,圖中電壓表內阻很大。RL的測量結果如表所示。(1)根據圖甲所示的電路,在圖乙所示的實物圖上連線。

甲

乙

(2)在圖丙坐標紙上作RL-t關系圖線。

丙

(3)在某一溫度下,電路中的電流表、電壓表的示數如圖丁所示。電流表的讀數為____________,電壓表的讀數為____________。此時等效電阻RL的阻值為____________;熱敏電阻所處環境的溫度約為____________。丁

115mA5.00V43.5Ω64.0℃

能力形成點3實驗拓展與創新【例3】

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,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RP在不同照度下的阻值如下表所示。(1)根據表中數據,請在圖中的坐標系中描繪出阻值隨光的照度變化的曲線,并說明阻值隨照度變化的特點。(2)在如圖所示電路中,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RP(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)光敏電阻的阻值隨光的照度變化的曲線如圖所示。特點:光敏電阻的阻值隨光照度的增大非線性減小。(2)當光照度降低至1.0

lx時,光敏電阻阻值為20

kΩ,1、2兩端電壓為2

V,電源電動勢為3

V,所以電路中還要有一個分壓電阻,阻值為10

kΩ,即選用R1,電路原理圖如圖所示。答案:見解析

鞏固提升檢測1.為了研究光敏電阻在室內正常光照射和室外強光照射時電阻的大小關系,某同學用如圖甲所示的電路進行實驗,得出兩種U-I圖線,如圖乙所示。甲

乙

(1)根據U-I圖線可知正常光照射時光敏電阻的阻值為____________Ω,強光照射時阻值為____________Ω。

(2)若實驗中所用電壓表的內阻約為5kΩ,毫安表的內阻約為100Ω,考慮到電表內阻對實驗結果的影響,此實驗中________________________(選填“正常光照射時”或“強光照射時”)測得的電阻誤差較大。若測量這種光照射下的電阻,則實物圖中毫安表應采用____________(選填“內接”或“外接”)法進行實驗,實驗結果較為準確。

3000200強光照射時

外接

(2)實驗電路采用的是毫安表內接法,測得的結果比真實值偏大,當待測電阻遠大于毫安表電阻時實驗誤差較小,所以強光照射時誤差較大;強光照射時采用毫安表外接法,實驗結果較為準確。2.由半導體材料制成的熱敏電阻阻值是溫度的函數。基于熱敏電阻對溫度敏感的原理制作一個火災報警系統,要求熱敏電阻溫度升高至50℃時,系統開始自動報警。所用器材有直流電源E(36V,內阻不計);電流表(量程250mA,內阻約0.1Ω);電壓表(量程50V,內阻約1MΩ);熱敏電阻RT;報警器(內阻很小,流過的電流超過10mA時就會報警,超過30mA時就會損壞);滑動變阻器R1(最大阻值4000Ω);電阻箱R2(最大阻值9999.9Ω);單刀單擲開關S1;單刀雙擲開關S2;導線若干。(1)用圖甲所示電路測量熱敏電阻RT的阻值。當溫度為27℃時,電壓表讀數為30.0V,電流表讀數為15.0mA;當溫度為50℃時,調節R1,使電壓表讀數仍為30.0V,電流表指針位置如圖乙所示。溫度為50℃時,熱敏電阻的阻值為

Ω。從實驗原理上看,該方法測得的阻值比真實值略微

(選填“偏大”或“偏小”)。如果熱敏電阻阻值隨溫度升高而變大,則它是正溫度系數熱敏電阻,反之為負溫度系數熱敏電阻。基于以上實驗數據可知,該熱敏電阻RT為

(選填“正”或“負”)溫度系數熱敏電阻。

甲

乙600偏大

負

(2)某同學搭建一套基于該熱敏電阻的火災報警系統,實物圖連線如圖丙所示,其中