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实验十一传感器的简单使用一、实验目的1．了解传感器的工作过程，探究敏感元件的特性．2．能够简单使用传感器．二、实验原理传感器是将它感受到的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)．其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于测量的信号．例如，光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号，热电传感器是利用热敏电阻或金属热电阻将温度信号转换成电信号，转换后的信号经过电子电路的处理就可达到方便检测、自动控制、遥控等各种目的．三、实验器材热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小电珠、学生电源、光电计数器、滑动变阻器、开关、导线、光源等．四、实验步骤1．研究热敏电阻的热敏特性(1)将热敏电阻与多用电表接成电路，如图所示．(2)把多用电表置于“欧姆挡”，并选择适当的量程测出烧杯中没有热水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数．(3)向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值．(4)将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录．(5)把测量到的温度、电阻值填入下表中，根据记录数据分析热敏电阻的特性.(6)在如图所示坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图象．次数待测量温度(℃)电阻(Ω)根据实验数据和Rt图线，得出结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大．2．研究光敏电阻的光敏特性(1)将光敏电阻、多用电表、小电珠、滑动变阻器、开关、学生电源按图所示电路连接好，其中多用电表置于“×100”挡．(2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据．(3)打开电源，让小电珠发光，调节小电珠的亮度使之逐渐变亮，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录．(4)测出用手掌(或黑纸)遮光时电阻的阻值，并记录．(5)把记录的结果填入下表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性.光照强度自然光照射弱中强阻值(Ω)3．光电计数器(1)连接光电计数器电路．(2)接通电路和光源，观察计数器的计数情况．五、注意事项1．测热敏电阻的阻值时应待温度变化稳定后再测量．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．在如图所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明()A．热敏电阻在温度越高时，电阻越大B．热敏电阻在温度越高时，电阻越小C．半导体材料温度升高时，导电性能变差D．半导体材料温度升高时，导电性能变好【解析】电流表的示数增大，说明电路中的电流增大，电阻减小，所以这个热敏电阻的电阻率是随温度的升高而降低的；电阻率减小，电阻值在其他条件不变时减小，导电性能变好，故选项B、D正确．【答案】BD为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统．光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx)．某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表：(1)根据表中数据，请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点．照度(lx)0.20.40.60.81.01.2电阻(kΩ)754028232018(2)如图所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路．给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图．(不考虑控制开关对所设计电路的影响)光敏电阻Rp(符号，阻值见上表)提供的器材如下：直流电源E(电动势3V，内阻不计)；定值电阻：R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ(限选其中之一并在图中标出)；开关S及导线若干．【解析】(1)根据图表中的数据，在坐标纸上描点连线，得到如图所示的变化曲线．阻值随照度变化的特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小．(2)因天色渐暗照度降低至1.0(lx)时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20kΩ，两端电压为2V，电源电动势为3V，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10kΩ，即选用R1；此电路的原理图如图所示．【答案】(1)光敏电阻的阻值随光照变化的曲线见标准解答特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小．(2)电路原理图见标准解答．1．在街旁的路灯、江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄．利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实行了自动控制，这是利用半导体的()A．压敏性B．光敏性C．热敏性D．三种特性都利用解析：街旁的路灯和江海里的航标，都是利用了半导体的光敏性，夜晚电阻大，白天电阻小．答案：B2．如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时()A．电压表的示数增大B．R2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压降低答案：ABCD解析：当光照强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，因而电压表的示数增大，A、D项正确；由路端电压减小而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，故C正确．3．如图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()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记数一次D．信号处理系统每获得一次高电压就记数一次答案：AC解析：R1为光敏电阻，当有光照射时，R1的阻值变小，R2上的电压变大，信号处理系统获得高电压．由题意知，当传送带上的物体挡住光时，信号处理系统获得低电压，这种电压高低交替变化的信号转化为相应的数字，实现自动计数的功能，故A、C选项正确．4．如图所示是一种自动控制水温的装置，加热电路的两端P、Q应接在触头a、b之间还是c、d之间？热敏电阻两端M、N应接在哪两个触头之间？解析：P、Q应该分别接在触头a、b之间．同时，M、N应该分别接e、f两个触头，其工作原理是：当水温升高时，热敏电阻阻值减小，电磁铁中电流增大，吸引力增大，使衔铁被吸下，a、b断开，使加热装置停止加热，当水温降低到一定程度时，热敏电阻温度减小阻值增大，电磁铁中电流减小，吸引力减小，衔铁被弹簧拉上去，使a、b之间连接，加热装置开始加热，从而实现水温控制．答案：P、Q应分别接在触头a、b之间M、N应分别接e、f5．(2009年宁夏)青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能．用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制．光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为0，照射光较弱(如黑天)时电阻接近于无穷大．利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，天黑打开．电磁开关的内部结构如图所示.1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接．当励磁线圈中电流大于50mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50mA时，3、4接通．励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA.(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图．光敏电阻R1，符号；灯泡L，额定功率40W，额定电压36V，符号；保护电阻R2，符号；电磁开关，符号；蓄电池E，电压36V，内阻很小；开关S，导线若干．(2)回答下列问题：①如果励磁线圈的电阻为200Ω，励磁线圈允许加的最大电压为______V，保护电阻R2的阻值范围为______Ω.②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通．为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明．答：________________________________________________________________________.③任意举出一个其他的电磁铁应用的例子．答：________________________________________________________________________.解析：(1)要使光敏电阻能够对电路进行控制，且有光照时路灯熄灭，光敏电阻应与1、2串联，3、4与路灯串联；则电路图如图所示．(2)①由U＝IR得励磁线圈允许加的最大电压为U＝ImR＝0.1×200V＝20V；依据允许通过励磁线圈的电流最大值和最小值计算得R2min＝160.1Ω＝160Ω，R2max＝160.05Ω＝320Ω，因此保护电阻R2的阻值范围为160Ω～320Ω；②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开．③电磁起重机．答案：(1)电路原理图见解析图(2)①20160～320②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开．③电磁起重机6．(2010年全国Ⅱ)如图，一热敏电阻RT放在控温容器M内：为毫安表，量程6mA，内阻为数十欧姆，E为直流电源，电动势约为3V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9Ω；S为开关．已知RT在95℃时的阻值为150Ω，在20℃时的阻值约为550Ω.现要求在降温过程中测量在95℃～20℃之间的多个温度下RT的阻值．(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图．(2)完成下列实验步骤中的填空：①依照实验原理电路图连线．②调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95℃.③将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全．④闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录_____________________________________．⑤将RT的温度降为T1(20℃T195℃)，调节电阻箱，使得电流表的读数________，记录__________．⑥温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1＝________.⑦逐步降低T1的数值，直至20℃为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥.解析：(1)实验原理电路图如图所示．(2)要求出在不同温度下RT的阻值，在闭合电路中读出电流表的示数，然后记录电阻箱的读数R0，由闭合电路欧姆定律E＝I0(RT＋R0＋r)＝I0(150Ω＋R0＋r)①改变RT的温度为T1，调节电阻箱，使得电流表的读数仍为I0，记录电阻箱的读数R1，则E＝I0(RT1＋R1＋r)②解①②得RT1＝R0－R1＋150Ω.答案：(1)见解析(2)④电阻箱的读数R0⑤仍为I0电阻箱的读数R1⑥R0－R1＋150Ω