2016新课标三维人教物理选修3-2 第六章 传感器 第3节 实验：传感器的应用

第3节实验：传感器的应用一、实验目的1．利用斯密特触发器设计光控开关电路和温度报警器。

2．提高电子技术方面的设计和制作能力。

二、实验原理1．光控开关(1)电路如图6-3-1所示。

图6-3-1(2)斯密特触发器的工作原理：斯密特触发器是一个性能特殊的非门电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8 V)，Y会从低电平跳到高电平(3.4 V)。

(3)光控开关的工作原理：白天，光照强度较大，光敏电阻R G阻值较小，加在斯密特触发器输入端A的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天暗到一定程度时，R G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1.6 V，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)，这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自动开启的目的。

2．温度报警器(1)电路如图6-3-2所示。

图6-3-2(2)工作原理：常温下，调节R1的阻值使斯密特触发器输入端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R T阻值减小，斯密特触发器输入端A的电压升高，当达到某一值(高电平)时，其输出端Y由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声。

R1的阻值不同，则报警温度不同，可以通过调节R1来调节蜂鸣器的灵敏度。

三．实验器材1．光控开关实验斯密特触发器、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6 V，0.3 A)、可变电阻R1(最大阻值51 kΩ)、电阻R2(330 Ω)、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、黑纸。

2．温度报警器实验斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、可变电阻R1(最大阻值1 kΩ)、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、烧杯(盛有热水)。

四．实验步骤1．光控开关(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。

(2)检查各元件的连接，确保无误。

(3)接通电源，调节电阻R1，使发光二极管或灯泡在普通光照条件下不亮。

(4)用黑纸逐渐遮住光敏电阻，观察发光二极管或灯泡的状态。

(5)逐渐撤掉黑纸，观察发光二极管或灯泡的状态。

2．温度报警器(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。

(2)检查各元件的连接，确保无误。

(3)接通电源，调节电阻R1，使蜂鸣器常温下不发声。

(4)用热水使热敏电阻的温度升高，注意蜂鸣器是否发声。

(5)将热敏电阻从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声。

五、注意事项1．安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装。

2．光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接，否则继电器不能正常工作。

3．光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把R1的阻值调大些。

4．温度报警器实验中，要使蜂鸣器在更低的温度时报警，应该把R1的阻值调大些。

[例1](多选)图6-3-3甲表示斯密特触发器，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，而当输入端A的电压下降到另一个值(0.8 V)的时候，Y会从低电平跳到高电平(3.4 V)。

图乙为一光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，R G为光敏电阻。

下列关于斯密特触发器和光控电路的说法中正确的是()图6-3-3A．斯密特触发器的作用是将数字信号转换为模拟信号B．斯密特触发器是具有特殊功能的非门C．要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些D．当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，发光二极管发光[思路点拨]解答本题的关键：(1)知道斯密特触发器的工作原理，了解非门电路的特点及其表示符号。

(2)明白光敏电阻R G的阻值的大小随光照强度的增强而减小。

(3)知道二极管的单向导电性。

[解析]斯密特触发器是一种特殊的非门，它能把连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，选项A错误，B正确；如果把R1的阻值调大些，则只有R G的阻值达到更大值时，才能使斯密特触发器的A端电压达到某个值(1.6 V)，即达到天更暗时路灯才会亮的目的，选项C正确；当输出端Y突然从高电平跳到低电平时，发光二极管导通发光，选项D正确。

[答案]BCD[例2]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6-3-4所示，试设计一个温控电路。

要求温度低于某一值时，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。

图6-3-4[思路点拨]热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器组成控制电路。

[解析]电路图如图所示。

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吸合衔铁，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某值，K断开，电炉丝断电，停止加热。

当温度低于设计值，又重复前述过程。

[答案] 见解析[例3] 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R P 在不同照度下的阻值如下表： 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6-3-5中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。

图6-3-5 图6-3-6(2)如图6-3-6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) 提供的器材如下：光敏电阻R P (符号，阻值见上表)；直流电源E (电动势3 V ，内阻不计)；定值电阻：R 1＝10 kΩ，R 2＝20 kΩ，R 3＝40 kΩ(限选其中之一并在图中标出)；开关S 及导线若干。

[解析] (1)如图甲所示，光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。

(2)电路原理图如图乙所示，根据串联电阻的正比分压关系，E ＝3 V ，当照度降低至1.0lx 时，由图线知，此时光敏电阻R P ＝20 kΩ，U R P ＝2 V ，串联电阻分压U R ＝1 V ，由U R P U R＝R P R＝2得R ＝R P 2＝10 kΩ，故选定值电阻R 1。

[答案] 见解析1.如图6-3-7所示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ，现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为θ′，则可判断( )图6-3-7A ．θ′＝θB ．θ′＜θC ．θ′＞θD ．不能确定θ和θ′的关系解析：选B 光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，开始时有光照射，光敏电阻的阻值较小，当手掌挡住部分光线时，光敏电阻的阻值增大，因为欧姆表的零刻度在表盘的右侧，所以欧姆表测电阻时，阻值越大，指针偏角越小，所以选项B 正确。

2.如图6-3-8所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L 为含铁芯的线圈，P 为可绕O 点转动的铁片，K 为弹簧，S 为一对触头，A 、B 、C 、D 为四个接线柱。

电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求，其工作方式是( )图6-3-8A ．A 与B 接信号电压，C 与D 跟被控电路串联B ．A 与B 接信号电压，C 与D 跟被控电路并联C ．C 与D 接信号电压，A 与B 跟被控电路串联D ．C 与D 接信号电压，A 与B 跟被控电路并联解析：选A 由图可知A 、B 是电磁继电器线圈，所以A 、B 应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或排斥，从而使C 、D 接通或断开，进而起到控制作用，故正确答案为A 。

3．某仪器内部的电路如图6-3-9所示，其中M 是一个质量较大的金属块，左右两端分别与金属丝制成的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上，a 、b 、c 三块金属片间隙很小(b 固定在金属块上)。

当金属块处于平衡时两根弹簧均处于原长状态，若将该仪器固定在一辆汽车上，下列说法正确的是()图6-3-9A．当汽车加速前进时，甲灯亮B．当汽车加速前进时，乙灯亮C．当汽车刹车时，乙灯亮D．当汽车刹车时，甲、乙灯均不亮解析：选B汽车匀速前进时a、b、c金属片不接触，所以甲、乙灯都不亮，当加速前进时，b与a接触，乙灯亮；当刹车时，b与c接触，甲灯亮，故选B。

4.某电容式话筒的原理示意图如图6-3-10所示，E为电源，R为电阻，薄片P和Q为两金属极板。

对着话筒说话时，P振动而Q可视为不动。

在P、Q间距增大过程中()图6-3-10A．P、Q构成的电容器的电容增大B．P上电荷量保持不变C．M点的电势比N点的低D．M点的电势比N点的高解析：选D由C＝εr S4πkd可知PQ间距离d增大时电容C减小，A项错误。

电容减小将放电，电荷量减小，故B项错误。

放电时电流从M点经R到N点，说明M点电势高于N 点电势，所以C项错误D项正确。

5.在制作光控电路实验中，某同学按图6-3-11所示电路将元件安装完毕后，发现将装置置入黑暗环境中接通电源时，灯泡不发光，原因不可能是()图6-3-11A．二极管两极接反B．R1与R G位置颠倒C．R1阻值太小D．灯泡被断路解析：选C由题可知若二极管接反，光线暗时，二极管上为负向电压，无法导通，灯泡不亮，A项可能；若R1与R G位置颠倒，则光线较暗时，Y端为高电平，二极管不导通，灯泡不发光，B项可能；若R1阻值太小，Y端一直为低电平，灯泡一直发光，C项不可能；灯泡断路时无法发光，D可能。

6．(2016·北京卷)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。

图6-3-12为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图。

由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力________(选填“增强”或“减弱”)；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更______(选填“敏感”或“不敏感”)。

图6-3-12解析：由R-t图像可知，热敏电阻在温度上升时电阻减小，则导电能力增强。

相对金属热电阻，热敏电阻在相同的温度变化情况下电阻变化大，则热敏电阻对温度变化的响应更敏感。

答案：增强敏感7.目前有些居民区内楼道灯的控制，使用的是一种延时开关。

该延时开关的简化原理如图6-3-13所示。

图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过就能使其发出红色亮光)，R为限流电阻，K为按钮式开关，虚线框内S表示延时开关电路，当按下K接通电路瞬间，延时开关触发，相当于S闭合，这时释放K后，延时开关S约在1 min后断开，电灯熄灭。