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6.4传感器的应用实例实验1、光控开关1、实验原理及知识准备如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51kΩ，R2为330kΩ，试分析其工作原理．白天，光强度较大，光敏电阻RG电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，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的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值（1.6V），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），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的．1、要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？为什么？应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V），就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。2、用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路．思考与讨论如图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D为动触点，E为静触点．试分析电磁继电器的工作原理．当线圈A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与E接触，将工作电路接通，当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，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．试说明控制电路的工作原理。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，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭．学生分组实验2．温度报警器上一节我们学习了火灾报警器，它是利用烟雾对光的散射作用，使火灾发出的光引起光敏电阻的阻值变化，从而达到报警的目的。既然发生火灾时，环境温度要升高，我们能不能用温度传感器来做成火灾报警器呢？温度报警器的工作电路，如图所示：试分析其工作原理。常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，Rl的阻值不同，则报警温度不同怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。例：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，画出电路图说明工作过程．（1）电路图如图所示：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．（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．下图是电饭煲的电路图，S1是一个磁钢限温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103℃)时，会自动断开，且不能自动闭合．S2是一个双金属片自动控温开关，当温度低于70℃时，会自动闭合；温度高于80℃时，会自动断开．红灯是加热指示灯，黄灯是保温指示灯，分流电阻R1＝R2＝500Ω，加热电阻丝R3＝50Ω，两灯电阻不计．(1)分析电饭煲的工作原理；(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；(3)如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？解析：(1)电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯被短路不亮，红灯亮，电饭煲处于加热状态．加热到80℃时，S2自动断开，S1仍闭合．水烧干后，温度升高至103℃时，开关S1自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态．由于散热，待温度降至70℃时，S2自动闭合，电饭煲重新加热；温度达到80℃时，S2又自动断开，再次处于保温状态．(2)加热时，电饭煲消耗的电功率P1＝U2R并保温时，电饭煲消耗的电功率P2＝U2R1＋R并两式中，R并＝R2R3R2＋R3＝50011Ω，从而有P1P2＝R1＋R并R并＝121.(3)如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1被短路，功率为P1，当温度上升到80℃时，S2自动断开，功率降为P2，温度降低到70℃，S2自动闭合……温度只能在70～80℃之间变化，不能把水烧开，故不能煮熟饭．例2.惯性制导系统已广泛应用于导弹工程中，这个系统的重要元件是加速度计。加速度计的构造和原理的示意图如图示，沿导弹长度方向按装的固定光滑杆上套一个质量为m的滑块，滑块的两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连，两弹簧的另一端与固定壁相连。滑块原来静止，弹簧处于自然长度。滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导。1.设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为S，则这段时间内导弹的加速度（）A.方向向左，大小为kS/mB．方向向右，大小为kS/mC．方向向左，大小为2kS/mD.方向向右，大小为2kS/mD01010UP2.若电位器（可变电阻）总长度为L，其电阻均匀，两端接在稳压电源U0上，当导弹以加速度a沿水平方向运动时，与滑块连接的滑动片P产生位移，此时可输出一个电信号U，作为导弹惯性制导系统的信息源，为控制导弹运动状态输入信息，试写出U与a的函数关系式。01010UPU0解：a=2kS/m∴S=ma/2kU=U0Rx/R=U0S/L=maU0/2kL=mU0a/2kL∝a光传感器的应用例3如图所示为一实验中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图．A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮．车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示．若实验显示单位时间内脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是________；小车速度的表达式为v＝________；行程的表达式为s＝______.这是一道以实际问题为背景的实验题，显然无法通过迁移课本实验中的方法来解决．但是题目给出了装置图，该图及题文中的相关说明给我们一定提示，光束原来是连续的，是转动的齿轮使光束变为脉冲，因此脉冲情况必定与齿轮(或车轮)的转动有关，也就与速度和行程有关．根据速度的意义和车正常行驶的情况，应有v＝2πRf，其中R为车轮的半径，f为单位时间内车轮转过的圈数；若齿轮的齿数为P，则转一圈应有P个脉冲被B接收到，因此有f＝nP代入上式，有v＝2πRnP.同样，根据行程的意义：应有s＝2πRf′，其中f′为整个行程中车轮转过的圈数；而f′＝NP，所以s＝2πRNP.可见，还必须测量的物理量和数据是车轮的半径R和齿轮齿数P.【答案】车轮的半径R和齿轮齿数P2πRnP2πRNP【规律总结】本题的理论依据是最基本的匀速运动中的速度、时间与位移的关系及角速度与线速度的关系，关键是将测量量与运动速度、时间和行程关联起来．这类题目是物理知识在实际中的应用，要很好的解答就要善于知识的迁移，对此，我们要关注周围的事物，经常想一想它们工作的原理与物理知识的关系，扩大眼界，开阔思路．