(共28张PPT)
3.利用传感器制作简单的自动控制装置
第五章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
课 标 定 位
1.了解门窗防盗报警装置电路及工作原理,会组装门窗防盗报警装置。
2.了解光控开关电路及工作原理,会组装光控开关。
素 养 阐 释
1.分析门窗防盗报警装置及光控开关的电路和工作原理,掌握科学思维的方法。
2.利用传感器设计并制作简单的自动控制装置,培养科学探究的能力。
自主预习·新知导学
一、实验1 门窗防盗报警装置
1.实验目的:了解门窗防盗报警装置的工作原理,练习使用传感器制作自动控制装置。
2.实验器材和装置:干簧管SA(常开型)、继电器、发光二极管LED(绿色)、电阻R、蜂鸣器H、电源(干电池6 V)、小磁体、开关。
(1)干簧管可将门与门框的相对位置这一非电学量转换为电路的通断。
(2)继电器(虚线方框部分)作为执行装置。
(3)发光二极管LED作为电路正常工作提示。发光二极管和普通二极管一样具有单向导电性,而且在导电时还能发光,有红、绿、黄等多种颜色。它小巧、省电,因此许多家用电器上都用它作指示灯。
(4)R为发光二极管的限流电阻,起保护作用。
(5)蜂鸣器H作为报警提醒。
3.实验电路:
门窗防盗报警装置电路图
4.实验原理:
闭合电路开关S,系统处于防盗状态。当门窗紧闭时,磁体M靠近干簧管SA,干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K,使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点 a 接通,发光二极管LED发光,显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时,磁体离开干簧管,干簧管失磁断开,继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点 b 接通,蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用,继电器则相当于一个自动的双向开关。
5.实验操作:
(1)连接电路前,要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管,观察簧片能否正常动作。
(2)确定各元件可以正常工作后,按照上图所示连接电路。
(3)接通电源后,将磁体靠近和离开干簧管,分别观察实验现象。
二、实验2 光控开关
1.实验目的:了解光控开关的工作原理,练习使用传感器制作自动控制装置。
2.实验器材和装置:可调电阻R1(最大电阻为51 kΩ)、限流电阻R2(330 Ω)、光敏电阻RG(暗电阻>1 MΩ,亮电阻<3 kΩ)、三极管VT、发光二极管LED(红色)、继电器、小灯泡L(6 V 0.3 A)、二极管D、电源(干电池6 V)。
晶体三极管是半导体基本元件之一,具有电流放大作用,在控制电路中常用作电子开关。本实验采用三极管配合光敏电阻完成光控开关的任务。
3.实验电路:
甲
乙
4.实验原理:
光控电路用发光二极管LED模仿路灯,RG为光敏电阻,R2为发光二极管的限流电阻。可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路,把光敏电阻因光照而发生的电阻变化,转换为电压的变化,加载到三极管VT的基极b上(图甲)。当基极电压达到一定程度后,三极管被导通,从而使得由电源正极经电阻R2、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。可调电阻R1的作用是调整设定电路对周边光亮度的反应,在电路中能够控制三极管的基极电流。
为了能够驱动更大功率的负载,如采用小灯泡模仿路灯,就要使用继电器来启、闭另外的供电电路,如图乙中,K为继电器的线圈,S为它的常开触点。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏三极管,必须给线圈并联一只二极管D,以提供自感电流释放的通路。
(1)当环境光比较强时,光敏电阻RG的阻值很小,三极管不导通,发光二极管或继电器所在的回路相当于断路,即发光二极管不工作;继电器处于常开状态,小灯泡L不亮。
(2)当环境光比较弱时,光敏电阻RG的阻值变大,三极管导通,且获得足够的基极电流,产生较大的集电极电流,点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。
5.实验操作:
(1)按照上图所示连接电路,检查无误后,接通电源。
(2)让光敏电阻RG受到白天较弱的自然光照射,调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。
(3)遮挡RG,当光照减弱到某种程度时,就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。
(4)让光照加强,当光照强到某种程度时,则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
如果实验现象不明显,可用手电筒加强光照,或遮盖光敏电阻,再进行观察。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(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,二极管连入电路的两极不能反接,否则继电器不能正常工作。( )
(3)光控开关的敏感元件是光敏电阻,光照越强,其电阻阻值越大。( )
(4)自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路,使路灯熄灭,晚上接通工作电路,使路灯发光。( )
√
√
×
√
2.光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮,应该怎样操作
提示:应该把R1阻值调得更大些,就会在天更暗时才点亮路灯。
合作探究·释疑解惑
知识点
自动控制电路
【问题引领】
右图是一种自动控制水温的装置,加热电路的两个端点P、Q应接在触头a、b之间还是c、d之间 负温度系数的热敏电阻两端M、N接在哪两个触头之间
提示:工作过程:当温度低于设计值时,热敏电阻阻值大,通过电磁继电器的电流不能使继电器工作,电炉丝被接通加热。当温度达到设计值,热敏电阻阻值减小到某一值时,通过电磁继电器的电流达到工作电流,电炉丝被断开,停止加热。所以端点P、Q应接在触头a、b之间,端点M、N应接在触头e、f之间。
【归纳提升】
电磁继电器的工作原理
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,就要使用电磁继电器来启闭工作电路,如图所示。其中图中虚线框内即为电磁继电器,D为动触点,E为静触点。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0时,电磁铁失去磁性,衔铁B在弹簧作用下被拉起,带动触点D与E分离,自动切断工作电路。
【典型例题】
【例题】 现有负温度系数的热敏电阻、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,超过某一温度又可以自动断电,画出电路图并说明工作过程。
答案:见解析
解析:热敏电阻RT与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路。电路图如图所示。
当温度低于某一值时,热敏电阻的阻值很大,流过电磁继电器的电流很小,继电器无法吸引衔铁P,K处接通,电炉丝处于加热状态;当温度高于某一值时,热敏电阻的阻值变得很小,通过电磁继电器的电流较大,继电器吸引衔铁P,K处断开,电炉丝停止加热。本题主要考查自动控制电路的分析,提高理论分析能力和科学思维。
自动控制电路的分析方法
分析自动控制电路经常用的方法是逻辑分析法,其分析的思路如下:从自动控制电路的某种逻辑关系入手,由敏感元件→转换元件→控制电路→工作电路→控制目的等,按此顺序依次进行分析。
【变式训练】 光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用,其中就可用于街道路灯的自动控制开关,下图为模拟电路,其中A为光敏电阻,B为电磁继电器,C为照明电路,D为路灯,请连成正确的电路,达到日出灯熄、日落灯亮的效果。
答案:图见解析
解析:电路连接如图所示。当天亮时,光线照射光敏电阻A,其阻值迅速减小,控制回路电流增大,电磁继电器B工作,吸下衔铁使触点断开,路灯熄灭。当夜晚降临时,光线变暗,光敏电阻A的阻值增大,控制回路电流减小,弹簧将衔铁拉起,触点接通,路灯点亮。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(报警装置)(多选)下图是温度报警器电路示意图,其中RT为负温度系数热敏电阻,下列关于对此电路的分析正确的是( )
A.当RT的温度降低时,RT增大,蜂鸣器会发出报警声
B.当RT的温度升高时,RT减小,蜂鸣器会发出报警声
C.当增大R时,温度要更高一些,蜂鸣器才会发出报警声
D.当增大R时,温度低一些,蜂鸣器就会发出报警声
答案:BC
解析:当RT温度升高时,电阻减小,控制电路中电流增大,衔铁被吸下,蜂鸣器导通,发出警报,A错误,B正确;当增大R时,控制电路中电流达到使电磁铁吸下衔铁的值时,RT要更小一些, 即温度要更高一些,C正确,D错误。
2.(光控开关)某同学想把房间窗帘改成自动开启、自动关闭的,他的设想是:白天房间要透光,也要防止太阳光直射室内,因此要用薄纱型的窗帘;傍晚太阳下山后,要用厚绒的窗帘,同时收起薄纱帘。请你帮他设计电路,选购器材并连好电路图。不考虑电动机工作结束后的状态。
答案:见解析
解析:如图所示,白天光照很亮,照射到光敏电阻上,电阻很小,电流较大,电磁铁磁性强,吸引衔铁向下,使得触点b、c接触,电动机乙转动,关闭厚绒窗帘,同时拉开薄纱窗帘;傍晚后光线很暗,光敏电阻接收光照少,电阻变大,电流很小,电磁铁磁性非常弱,弹簧将衔铁拉起,使b、a接触,电动机甲转动,拉开厚绒窗帘,同时关闭薄纱窗帘。
本 课 结 束3.利用传感器制作简单的自动控制装置
课后训练巩固提升
一、基础巩固
1.某市为了节约能源,合理适时地使用路灯,要求夜晚亮、白天熄,利用半导体的某种特性制成自动点亮、熄灭的装置,实现了自动控制。这是利用半导体的( )
A.力敏性 B.光敏性
C.热敏性 D.三种特性都利用了
答案:B
解析:题目中半导体应能感知光照强度变化,并输出电信号,控制电路通断,所以利用了半导体的光敏性,故B正确。
2.右图是一测定液面高低的传感器示意图,A为固定的导体芯,B为导体芯外面的一层绝缘物质,C为导电液体,把传感器接到图示电路中,已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同。如果发现指针正向右偏转,则导电液体的深度h变化为( )
A.h正在增大 B.h正在减小
C.h不变 D.无法确定
答案:B
解析:由电源极性及电流方向可知,A、B、C构成的电容器上的电荷量减小,根据C=,电容C在减小,故正对面积S减小,即h在减小,B正确。
3.对于常见的可燃气体浓度的检测,现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下:传感器的核心为一惠斯通电桥,其中一桥臂上有催化剂,当与可燃气体接触时,可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧,该桥臂的电阻发生明显变化,其余桥臂的电阻不变化,从而引起整个电路的输出发生变化,而该变化与可燃气体的浓度成比例,从而实现对可燃气体的检测。由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为( )
A.铜 B.合金
C.半导体 D.绝缘体
答案:C
解析:可燃气体燃烧后电阻发生变化,是由于温度升高造成的,所以此电阻应为金属热电阻或热敏电阻,而能够随温度变化其电阻有较明显变化的材料只可能是选项中的半导体材料,故选C。
4.(多选)下图是电容式声波传感器的示意图,该电路可将声音信号转化为电信号。该电路中右侧金属板b固定不动,左侧是能在声波驱动下沿水平方向左右往复运动的镀有金属层的振动膜a,a、b构成了一个平行板电容器,且通过导线与稳压电源正、负极相接,a随声源S振动而左右往复运动。下列有关分析正确的是( )
A.a左右往复运动过程中,a、b板构成的电容器的电容不变
B.a左右往复运动过程中,b板所带的电荷量不断变化
C.a左右往复运动过程中,a、b板之间的电场强度不断变化
D.a左右往复运动过程中,灵敏电流计中始终有方向不变的电流
答案:BC
解析:由于平行板电容器两极板与电池两极始终连接,两板间的电压U保持不变,根据电场强度公式E=、电容的决定式C=,可判断出A错,C对;a、b板所带电荷量Q=CU,电容C变化导致Q变化,B对;由于声源S振动,电容C不断变化导致电荷量Q不断变化,所以电容器出现反复性的充电、放电现象。显然,电流计中电流方向不断变化,D错。
5.(多选)某压力传感器输出的电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。一同学利用该传感器设计了判断升降机运动状态的装置,如图甲所示,将该传感器平放在升降机内,受压面朝上,在上面放一物体M,升降机静止时电流表示数为I0。某过程中电流表的示数如图乙所示,则在此过程中( )
A.物体处于失重状态
B.物体处于超重状态
C.升降机一定向上做匀加速运动
D.升降机可能向下做匀减速运动
答案:BD
解析:升降机静止时电流表示数为I0,而此过程中电流表示数为2I0,由欧姆定律分析电阻的阻值变小,说明压力增大,则物体处于超重状态,故A错误,B正确。物体处于超重状态时,速度方向可能向下,也可能向上,则升降机可能向下做匀减速运动,也可能向上做匀加速运动,故C错误,D正确。
6.大多楼道灯具有这样的功能:天黑时,出现声音它就开启;而在白天,即使有声音它也没有反应。它的控制电路中接入了哪几种传感器
答案:接入了两种传感器:光传感器(通常用的是光敏电阻),声传感器(通常用的是微型驻极体话筒)。
二、能力提升
1.下图为用电源、电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电铃、负温度系数半导体热敏电阻、开关、导线等组成的一个高温报警器电路图,要求正常情况绿灯亮,有险情时电铃报警。则图中的甲、乙、丙分别是( )
A.小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡
B.半导体热敏电阻、小电铃、绿灯泡
C.绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻
D.半导体热敏电阻、绿灯泡、小电铃
答案:B
解析:控制电路含有电磁继电器,因此甲的回路为控制电路,甲是半导体热敏电阻;负温度系数热敏电阻的特点是温度高,电阻小,电流大,继电器工作,触头被吸下,乙被接通应报警,即乙是小电铃;平常时,温度低,热敏电阻电阻大,电流小,触头未被吸下,丙导通,丙应是绿灯泡,即B正确。
2.(多选)某同学设计了一个探究电容器所带电荷量与电容器两极间电压关系的实验,实验电路如图甲所示,其中P为电流传感器,V为电阻很大的电压表。实验时,先将开关S1闭合,单刀双掷开关S2掷向a,调节滑动变阻器的滑片到某位置使电容器C充电,当电路达到稳定后记录理想电压表的示数。再迅速将开关S2掷向b,使电容器放电。电流传感器P将电容器充、放电过程中的电流数据传送给计算机,在计算机上可显示出电流i随时间t变化的图像如图乙所示。然后改变滑动变阻器滑片的位置,重复上述步骤,记录多组电流随时间变化的图像和电压表的示数。对于这个实验过程和由图像及数据所得出的结果,下列说法正确的是( )
甲
乙
A.流过电流传感器P的充电电流和放电电流方向相同
B.图乙中的第①段(充电阶段)电流曲线与横轴所围图形的面积表示电容器充电结束时所带的电荷量
C.电容器充电结束时所带电荷量随电容器充电结束时两极间电压变化的关系图像应为一条过原点的倾斜直线
D.电容器充电结束时所带电荷量与滑动变阻器滑片的位置无关
答案:BC
解析:流过电流传感器P的充电电流和放电电流方向相反,选项A错误;题图乙中的第①段(充电阶段)电流曲线与横轴所围图形的面积表示电容器充电结束时所带的电荷量,选项B正确;由C=可知,电容器充电结束时所带电荷量随电容器充电结束时两极间电压变化的关系图像应为一条过原点的倾斜直线,选项C正确;电容器充电结束时所带电荷量与滑动变阻器滑片的位置有关,选项D错误。
3.(2020江苏盐城检测)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图如图所示,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K按下接通电路瞬间,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分钟后断开,电灯熄灭。根据上述信息和电路原理图,我们可推断:按钮开关K按下前,发光二极管是 (选填“发光的”或“熄灭的”)。按钮开关K按下再释放后,电灯L发光持续时间约 分钟,这一过程中发光二极管是 (选填“发光的”或“熄灭的”)。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比,应满足R RL的条件。
答案:发光的 1 熄灭的
解析:开关K按下前,二极管、灯泡、电阻R、电源组成串联电路,所以二极管是发光的。按钮开关K按下再释放后,由于延时开关的作用,灯L发光时间为1分钟,此时二极管被短路,所以二极管是熄灭的。只有当限流电阻R的阻值比灯丝电阻RL大得多时,通过发光二极管的电流才很小,确保二极管不烧坏。
4.图甲为热敏电阻的R-t图像,图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路,继电器的电阻为100 Ω。当线圈的电流大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池的电动势E=9.0 V,内阻可以不计。图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。则:
甲
乙
(1)应该把恒温箱内的加热器接在 (选填“A、B端”或“C、D端”)。
(2)如果要使恒温箱内的温度保持50 ℃,可变电阻R'的阻值应调节为 Ω。
答案:(1)A、B端 (2)260
解析:(1)恒温箱内的加热器应接在A、B端。当温度较低时,热敏电阻R阻值较大,线圈中的电流较小,继电器的衔铁在上方,恒温箱的加热器处于工作状态,恒温箱内温度升高。
(2)随着恒温箱内温度升高,热敏电阻R的阻值变小,则线圈中的电流变大,当线圈中的电流大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸到下方来,则恒温箱加热器与电源断开,加热器停止工作,恒温箱内温度降低。
随着恒温箱内温度降低,热敏电阻R的阻值变大,则线圈中的电流变小,当线圈的电流小于20 mA时,继电器的衔铁又被释放到上方,则恒温箱加热器又开始工作,这样就可以使恒温箱内保持在某一温度。
要使恒温箱内的温度保持50 ℃ ,即50 ℃时线圈内的电流为20 mA。由闭合电路欧姆定律得I=,r为继电器的电阻。由题图甲可知,50 ℃时热敏电阻的阻值为90 Ω,所以R'=-R-r=260 Ω。
5.一热敏电阻在温度为80 ℃时阻值很大,当温度达到100 ℃时阻值就很小,今用一电阻丝给水加热,并配以热敏电阻以保持水温在80 ℃到100 ℃之间,可将电阻丝与热敏电阻并联,一并放入水中,如图所示,图中R1为热敏电阻,R2为电阻丝。请简述其工作原理。
答案:开始水温较低时,R1阻值较大,电阻丝R2对水进行加热;当水温达到100 ℃左右时,R1阻值变得很小,R2近似被短接,可以认为停止加热;当温度降低到80 ℃时,R1阻值又变得很大,R2又开始加热。这样就可达到保温的效果。
