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- 2021-05-24 发布
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实验十一 传感器的简单使用
1.知道什么是传感器,知道光敏电阻和热敏电阻的作用.
2.能够通过实验探究光敏电阻和热敏电阻的特性.
3.了解常见的各种传感器的工作原理、元件特性及设计方案.
一、研究热敏电阻的特性
1.实验原理
闭合电路欧姆定律,用欧姆表进行测量和观察.
2.实验器材
半导体热敏电阻、多用电表、温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水.
3.实验步骤
(1)按实验原理图甲连接好电路,将热敏电阻绝缘处理;
(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.
4.数据处理
在图1坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线.
图1
5.实验结论
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.
6.注意事项
实验时,加热水后要等一会儿再测其阻值,以使电阻温度与水的温度相同,并同时读出水温.
二、研究光敏电阻的光敏特性
1.实验原理
闭合电路欧姆定律,用欧姆表进行测量和观察.
2.实验器材
光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线、电源.
3.实验步骤
(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器如实验原理图乙所示电路连接好,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,让小灯泡发光,调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮,观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况,并记录.
(4)用手掌(或黑纸)遮光时,观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况,并记录.
4.数据处理
根据记录数据分析光敏电阻的特性.
5.实验结论
(1)光敏电阻在暗环境下电阻值很大,强光照射下电阻值很小.
(2)光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.
6.注意事项
(1)实验中,如果效果不明显,可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中,并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少来达到实验目的;
(2)欧姆表每次换挡后都要重新调零.
高频考点一 温度传感器的应用
例1.(2016·全国乙卷·23)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时,系统报警。提供的器材有:热敏电阻,报警器(内阻很小,流过的电流超过Ic时就会报警),电阻箱(最大阻值为999.9 Ω),直流电源(输出电压为U,内阻不计),滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω),滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω),单刀双掷开关一个,导线若干。
在室温下对系统进行调节。已知U约为18 V,Ic约为10 mA;流过报警器的电流超过20 mA时,报警器可能损坏;该热敏电阻的阻值随温度升高而减小,在60 ℃时阻值为650.0 Ω。
(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。
(2)电路中应选用滑动变阻器________(填“R1”或“R2”)。
(3)按照下列步骤调节此报警系统:
①电路接通前,需将电阻箱调到一固定的阻值,根据实验要求,这一阻值为________Ω;滑动变阻器的滑片应置于________(填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是
________________________________________________________________________。
②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至
________________________________________________________________________。
(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合 ,报警系统即可正常使用。
解析: (1)电路图连接如图。
(2)报警器开始报警时,对整个回路有U=Ic(R滑+R热)
代入数据可得R滑=1 150.0 Ω,因此滑动变阻器应选择R2。
答案: (1)连线如解析图所示 (2)R2 (3)①650.0 b 接通电源后,流过报警器的电流会超过20 mA,报警器可能损坏 ②c 报警器开始报警
【变式探究】温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性工作的.如图2甲所示,电源的电动势E=9.0 V,内阻不计;G为灵敏电流计,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻值与温度的变化关系如图乙所示,闭合开关S,当R的温度等于20 ℃时,电流表示数I1=2 mA;电流表的示数I2=3.6
mA时,热敏电阻的温度是________ ℃.
图2
答案 120
【变式探究】利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器,一般体积很小,可以用来测量很小范围内的温度变化,反应快,而且精确度高.
(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路,其他因素不变,只要热敏电阻所处区域的温度降低,电路中电流将变________(选填“大”或“小”).
(2)上述电路中,我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度,就能直接显示出热敏电阻附近的温度.如果刻度盘正中的温度为20 ℃(如图3甲所示),则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧.
图3
(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化,请用图乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路.
答案 (1)小 (2)右 (3)见解析图
解析 (1)因为负温度系数热敏电阻温度降低时,电阻增大,故电路中电流会减小.
(2)由(1)的分析知,温度越高,电流越大,25 ℃的刻度应对应较大电流,故在20 ℃的刻度的右侧.
(3)电路如图所示.
【举一反三】如图4,一热敏电阻Rt放在控温容器M内;为毫安表,量程6 mA,内阻为数十欧姆;E为直流电源,电动势约为3 V,内阻很小;R为电阻箱,最大阻值为999.9 Ω;S为开关.已知Rt在95 ℃时的阻值为150 Ω,在20 ℃时的阻值约为550 Ω.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.
图4
(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温度为95 ℃.
③将电阻箱调到适当的阻值,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 ℃<t1<95 ℃);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.
答案 (1)见解析图 (2)④电阻箱的读数R0 ⑤仍为I0 电阻箱的读数为R1 ⑥R0-R1+150 Ω
(2)依照实验原理电路图连线;调节控温容器M内的温度,使得Rt温度为95 ℃,此时Rt阻值为150 Ω,将电阻箱调到适当的阻值,以保证仪器安全;闭合开关,调节电阻箱,记录毫安表的示数I0,并记录电阻箱的读数R0,根据欧姆定律有:I0=;将Rt的温度降为t1(20 ℃<t1<95 ℃);调节电阻箱,使得毫安表的读数仍为I0,记录电阻箱的读数为R1,根据欧姆定律:I0=,则=,解得Rt1=R0-R1+150 Ω.
【变式探究】热敏电阻是传感电路中常用的电子元件,现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线,要求特性曲线尽可能完整.已知常温下待测热敏电阻的阻值为40~50 Ω.热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中,杯内有一定量的冷水,其他备用的仪表和器具有:盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0~10 Ω)、开关、导线若干.
(1)图5中,a、b、c三条图线能反映出热敏电阻的伏安特性曲线的是________.
图5
(2)在虚线框中画出实验电路图,要求测量误差尽可能小.
(3)根据电路图,在图6中的实物图上连线.
图6
答案 (1) c (2)、(3)见解析图
解析 (1)随温度的升高,热敏电阻阻值减小,在I-U图线中,任一点的=,故在I-U图象中图线的斜率应变大,可见c正确.
(3)实物连线如图所示
高频考点二 光电传感器的应用
例2.(多选)如图7所示为光敏电阻自动计数器的示意图,图中虚线表示激光,圆柱体表示随传送带运动的货物,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( )
图7
A.当光照射R1时,信号处理系统获得高电压
B.当光照射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计数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
答案 BD
解析 激光是照在光敏电阻R1上,信号处理系统与R1并联,其电压就是R1上的电压,当货物挡光时R1阻值大,电压高,货物挡光一次,就计数(货物的个数)一次,故B、D正确.
【变式探究】一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ,当供电电压等于24 V时能正常工作,否则不产生臭氧.现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置,要求它在有光照时能产生臭氧,在黑暗时不产生臭氧,拟用一个光敏电阻R1对它进行控制,R1的阻值在有光照时为100 Ω,黑暗时为1 000 Ω、允许通过的最大电流为3 mA;电源E的电压为36 V、内阻不计;另有一个滑动变阻器R2,阻值为0~100 Ω、允许通过的最大电流为0.4 A;一个开关S和导线若干.臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图8所示.
图8
设计一个满足上述要求的电路图,图中各元件要标上字母代号,其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B(电路图画在虚线框内).
答案 见解析图
【举一反三】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ROS在不同照度下的阻值如表所示:
照度/lx
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻/kΩ
75
40
28
23
20
18
(1)根据表中数据,请在图9给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线,并说明光敏电阻阻值随照度变化的特点.
图9
(2)如图10所示,当1、2两端所加电压上升至2 V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)
图10
提供的器材如下:
光敏电阻ROS(符号,阻值见上面表格)
直流电源E(电动势3 V,内阻不计);
定值电阻:R1=10 kΩ,R2=20 kΩ ,R3=40 kΩ (限选其中之一并在图中标出)
开关S及导线若干.
答案 见解析
(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20 kΩ,两端电压为2 V,电源电动势为3 V,故应加上一个分压电阻,分压电阻阻值为10 kΩ,即选用R1.此电路的原理图如图所示.
高频考点三 传感器在实验中的应用
例3.传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用.有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图11中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表(实质是理想电流表)组成.压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示.设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8 V,取g=10 m/s2.请作答:
图11
压力F/N
0
250
500
750
1 000
1 250
1 500
…
电压R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘______A处.
(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,这个人的质量是______kg.
答案 (1)1.6×10-2 (2)50
【变式探究】如图13所示装置可以用来测量硬弹簧(即劲度系数较大的弹簧)的劲度系数k.电源的电动势为E,内阻可忽略不计;滑动变阻器全长为L,重力加速度为g.为理想电压表.当木板上没有放重物时,滑动变阻器的触头位于图中a点,此时电压表示数为零.在木板上放置质量为m的重物,滑动变阻器的触头随木板一起下移.由电压表的示数U
及其他给定条件,可计算出弹簧的劲度系数k.
图13
(1)写出m、U与k之间所满足的关系式.
(2)已知E=1.50 V,L=12.0 cm,g取9.80 m/s2.测量结果如下表:
m/kg
1.00
1.50
3.00
4.50
6.00
7.50
U/V
0.108
0.154
0.290
0.446
0.608
0.740
①在图14中给出的坐标纸上利用表中数据描出m-U直线.
图14
②m-U直线的斜率为________kg/V(结果保留三位有效数字);
③弹簧的劲度系数k=________N/m(结果保留三位有效数字).
答案 (1)m=U (2)①见解析图 ②10.0 ③1.23×103
(2)①用描点法作图,作出的图象如图所示.
②选取(0,0)、(0.90,9)两点,
则斜率为= kg/V=10.0 kg/V.
③因m=U,故=,
k=·=10.0×N/m≈1.23×103 N/m.
1.美国科学家Willard S.Boyle与George E.Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖.CCD是将光学量转变成电学量的传感器.下列器件可作为传感器的有( ).
A.发光二极管 B.热敏电阻
C.霍尔元件 D.干电池
答案 BC
2.在下列有关电阻应用的说法中,错误的是( ).
A.热敏电阻可应用于温度测控装置中
B.光敏电阻是一种光电传感器
C.电阻丝可应用于电热设备中
D.电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用
解析 电阻在电路中对直流电和交流电都有阻碍作用,将电能转换为热能,故D项错.
答案 D
3.如图2所示,电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层,再在导体层外加上一块保护玻璃,电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极,在导体层内形成一个低电压交流电场.在触摸屏幕时,由于人体是导体,手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容),四边电极发出的电流会流向触点,而电流强弱与手指到电极的距离成正比,位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱,准确算出触摸点的位置.由以上信息可知( ).
图2
A.电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指
B.当用手触摸屏幕时,手指与屏的接触面积越大,电容越大
C.当用手触摸屏幕时,手指与屏的接触面积越大,电容越小
D.如果用带了手套的手触摸屏幕,照样能引起触摸屏动作
答案 AB
4. 如图3所示,由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中,当闭合开关S后,小灯泡正常发光,若用酒精灯加热电阻丝时,发现小灯泡亮度变化是________,发生这一现象的主要原因是________(填字母代号).
图3
A.小灯泡的电阻发生了变化
B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D.电源的电压随温度发生了变化
解析 电阻丝的电阻率随温度的升高而增大,电阻也增大,根据闭合电路欧姆定律I=可知,电流减小,小灯泡的实际功率减小,所以变暗.
答案 变暗 C
5.热敏电阻是传感电路中常用的电子元件,现用伏安法研究电阻在不同温度下的伏安特性曲线,要求特性曲线尽可能完整.已知常温下待测热敏电阻的阻值约4~5 Ω.将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中,杯内有一定量的冷水,其他备用的仪表和器具有:盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0~20 Ω)、开关、导线若干.
图4
(1)在图4(a)中画出实验电路图.
(2)根据电路图,在图4(b)所示的实物图上连线.
(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤.
解析
图甲
图乙
答案 见解析
6.如图为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感)的I U关系曲线图。
(1)为了通过测量得到如图所示I U关系的完整曲线,在图甲和乙两个电路中应选择的是图________;简要说明理由:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(电源电动势为9 V,内阻不计,滑动变阻器的阻值为0~100 Ω)
(2)在如图所示电路中,电源电压恒为9 V,电流表读数为70 mA,定值电阻R1=250 Ω。由热敏电阻的I U关系曲线可知,热敏电阻两端的电压为________V;电阻R2
的阻值为________Ω。
答案: (1)甲 因为甲电路电压可从0 V调到所需电压,电压调节范围大 (2)5.0 117.6