3.4-5 传感器

(4)在实验室将二极管 VD、晶闸管 VS、光敏电阻 RG、可 变电阻 R(7.5MΩ)、灯泡 L 和万能电路板等焊接成如上图所示 电路．学习除锈、焊接等方面知识和操作技能； (5)对焊接的电路进行调试，确保安全后才能接上电源； (6)检查、测试并发现问题，提出改进方法，重新实验， 寻找最佳效果； (7)成果展示，所有参与学生对每一项成果从外观和性能 两个方面进行评价，评出优秀作品； (8)反思这种自动控制方法还可以用在哪些控制电路上．
【答案】系统以角速度 ω 转动时，设弹簧伸长 x，由弹力 mω2L 提供向心力有：kx＝mω2(L＋x)，可得：x＝ .设滑动变 k－mω2 E Emω2 阻器单位长度的电阻为 r， 则输出电压为： Lr×rx＝ U＝ 2. k－mω
【点拨】 角速度计这个传感器实际上就是圆周运动知识与 电路知识综合应用的结果．
角速度计可测量飞机、航天器、潜艇的转 动角速度，其结构如下图所示．当系统绕轴 OO′转动时，元 件 A 发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星等的 制导系统的信息源． 已知 A 的质量为 m， 弹簧的劲度系数为 k、 自然长度为 L，电源的电动势为 E、内阻不计．滑动变阻器总 长也为 L，电阻分布均匀，系统静止时 P 在 B 点，当系统以角 速度 ω 转动时，试写出输出电压 U 与 ω 的函数式．
4.实验步骤 (1)在老师的指导下按动手能力强弱搭配分组，为保证效 果，最好每 2～3 人一组，组内学生自己分工合作，能者多劳； (2)自己在“电子世界”购买符合安全规格的元器件，限 定采购时间为 1 天； (3)在实验室对所购二极管 VD、晶闸管 VS、光敏电阻 RG、 可变电阻 R(7.5MΩ)、灯泡 L 和万能电路板等元件进行测试， 确保安全合格；
如下图所示是一个警报器装置的逻辑电 路图．RT 是一个热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻 值很小，R 是一个阻值较小的分压电阻． (1)要做到低温时电铃不响，出现火灾时产生高温，电铃 响起．在图中虚线处画出接入的斯密特触发器． (2)为什么在高温时电铃会响起？ (3)为了提高电路的灵敏度，即将报警温度调得低些，那 么 R 的值应该大一些还是小一些？
光敏电阻的阻值随光照射的________而减小．普通二极管 增强 单向 具有________导电性．晶闸管的 VS 门电极处低电平时，VS 门 关断 ________；晶闸管的 VS 门电极处高电平时，VS 门获得正向触 导通 发电压而________．
课题：应用光敏电阻制作光控自动照明灯电路． 1．实验目的 (1)认识光敏电阻、热敏电阻等传感器的特性，从而进一 步了解传感器技术的相关物理知识； (2)了解传感器在技术上的简单应用，体验从理论到实际 应用的过程，享受发现、创造与成功的乐趣．
开关串联接入继电器的 a、b 端，如右图示．将交流电源 与路灯接入 c、e 之间．光暗时，光敏电阻值大，ab 间电流小， 磁性弱，ce 处于闭合，灯亮．光亮时，光敏电阻值小，ab 间 电流大，磁性强，吸住衔铁，电路 ce 处断开，灯灭．
【点拨】 这是一个较为简单的用光敏电阻来控制的电磁 铁电路，这实际上也是一种开关电路．
【答案】(1) ；(2)当温度较高时，热敏电 阻的阻值减小，斯密特触发器的输入端 A 电位较低，斯密特 触发器非门的输出端 Y 电位升高，电铃发声；(3)R 的值应该 调大一些．
【点拨】 斯密特触发器就是一个非门电路． 若提高电路的 灵敏度，将报警温度调得低些，即热敏电阻阻值较大时，斯密 特触发器的输入端的电位仍是低电位，则可变电阻 R 应分得 更多的电压，也即 R 的值应该调大一些．
(1)风力大小 F 与 θ 的关系式； (2)风力大小 F 与电流表示数 I′的关系式． (3)此装置所测定的最大风力是多少？
【解析】 (1)有风时，研究金属球，其受力如右图，有： F＝mgtanθ. ① (2)无风时，电源电压 U＝I(R0＋kL)． ② 有风时，电阻丝电阻 R′＝k(L－htanθ)． ③ 此时 U＝I′(R0＋R′)． ④ mg 联立①②③④可解得：F＝ (I′－I)(R0＋kL)． khI′
(3)当金属丝与电阻丝的接触点在 D 时，风力最大，此时 U IR0＋kL 有：I′＝ ＝ ，将其代入 F 的表达式中可得：Fmax R0 R0 ＝mgL/h.
【答案】 (3)Fmax＝mgL/h
(1)F＝mgtanθ
mg (2)F＝ (I′－I)(R0 ＋kL) khI′
【点拨】 这是一个用来测风力的传感器， 涉及的计算方 法就是力与电路知识的综合．
3．有关传感器的计算问题 如下图所示为一种测定风作用力的仪器原理图， 图中 P 为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，O 是悬挂点， R0 是保护电阻，CD 是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的 细金属丝始终保持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在 C 点接触，此时电路中的电流为 I，有风时细金属丝将偏转一角 度 θ(θ 与风力大小有关)，细金属丝与电阻丝在 C′点接触， 已知风力方向水平向左，OC＝h，CD＝L，球的质量为 M，电 阻丝单位长度的电阻为 k，电源内电阻和细金属丝电阻均不 计，金属丝偏转 θ 角时，电流表的示数为 I′，此时风力大小 为 F，试写出：
1．关于开关电路 如下图所示的光控电路，用二极管 LED 模仿路 灯，A、Y 是斯密特触发器(非门电路)的输入、输出端，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．
【解析】 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，天暗自动开门电路组成的开关电 路，对于开关电路的分析要注意的是，条件满足则导通，不满 足则断开．
温度报警器电路如下图所示， T 为热敏电 R 阻，R1 为可变电阻，A、Y 是斯密特触发器(非门电路)的输入、 输出端，请说明其工作原理．
【答案】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， R1 的阻值不同，则报警温度不同．
2．实验器材 二极管 VD、 晶闸管 VS、 光敏电阻 RG、 可变电阻 R(7.5MΩ)、 灯泡 L 和万能电路板等．
3．实验原理 将二极管 VD 、晶闸管 VS 、光敏电阻 RG 、可变电阻 R(7.5MΩ)、灯泡 L 和万能电路板等焊接成如图所示电路．
(1)晶闸管 VS 和灯泡 L 串联成主回路；二极管 VD、光敏 电阻 RG、可变电阻 R(7.5MΩ)连接成分压控制电路； (2)白天光线强时，光敏电阻 RG 的阻值小、两端电压低， 晶闸管 VS 断开，灯泡 L 不亮； (3)夜幕降临时，光线变暗，光敏电阻 RG 的阻值大、两端 电压升高，触发晶闸管 VS 导通，灯泡 L 发光； (4)改变可变电阻 R(7.5MΩ)的阻值， 可调整电路的起控点．
【点拨】这是一个热敏电阻和非门电路组成的开关电路．
2．传感器的应用与设计 用如下图所示的电磁继电器设计一个由光敏电 阻来控制路灯的实验电路．要求是：光暗时灯亮，光亮时灯 灭．可供选择的器材如下：光敏电阻、小灯泡、学生用电源、 继电器、滑动变阻器、开关、导线．
【解析】 光敏电阻受到光照射时电阻变小， 将光敏电阻、 小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、