第3节 实验：传感器的应用 学案 Word版含答案

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)电路如图所示。
(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RG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，RG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)电路如图所示。
(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RT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，RG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(　　)
A．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RG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RG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]　利用负温度系数热敏电阻制作的热敏传感器，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 ℃(如图甲所示)，则25 ℃的刻度应在20 ℃的刻度的________(选填“左”或“右”)侧。
(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。
[解析]　(1)因为负温度系数热敏电阻温度升高时电阻减小，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 ℃对应电流刻度的右侧。
(3)如图所示。
[答案]　(1)小　(2)右　(3)见解析图
[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RP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(1)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。
(2)如图(2)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RP(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：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。
[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1.0 lx时，由图线知，此时光敏电阻RP＝20 kΩ，URP＝2 V，串联电阻分压UR＝1 V，由＝＝2得R＝＝10 kΩ，故选定值电阻R1。
[答案]　见解析
1.如图所示，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(　　)
A．θ′＝θ　　　 B．θ′＜θ
C．θ′＞θ D．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(　　)
A．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　由题图可知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.电流传感器可以清楚地演示一些电学元件对电路中电流的影响。如图所示，在电路中接入电感线圈，闭合开关时，计算机显示的电流随时间变化的图像是(　　)
解析：选B　当闭合开关时，通过电感线圈的电流是逐渐增大但并不是均匀增大的，一段时间后电流恒定，故选项B正确。
4．如图所示为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是(　　)
A．温度升高至74 ℃时，L1亮灯报警
B．温度升高至74 ℃时，L2亮灯报警
C．温度升高至78 ℃时，L1亮灯报警
D．温度升高至78 ℃时，L2亮灯报警
解析：选D　当温度低于78 ℃时，线圈中没有电流，此时仅灯L1亮；当温度升高到78 ℃时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮报警；温度升高至74 ℃时，线圈中没有电流，只是灯L1亮。
5.在制作光控电路实验中，某同学按图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(　　)
A．二极管两极接反　　　　 B．R1与RG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RG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·北京高考)热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。如图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”)。
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。根据上述信息和原理图，我们可推断：
按钮开关K按下前，发光二极管是________(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________min。这一过程中发光二极管是________。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比，应满足R________RL的条件。
解析：开关K按下前，S为断开，有电流经过发光二极管，故发光二极管是发光的。当按下开关K后，延时开关S闭合，二极管和R被短路，二极管不发光，由于延时开关S约1 min后断开，故电灯L能持续发光1 min，由于R为限流电阻，且二极管只要有很小的电流通过就能发光，故应满足R?RL。
答案：发光的　1　熄灭的　?
8．(2017·江苏高考)某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图1所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约20 Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。
t/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
Rt/Ω
199.5
145.4
108.1
81.8
62.9
49.1
(1)提供的实验器材有：电源E1(3 V，内阻不计)、电源E2(6 V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S、导线若干。
为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用________(选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用________(选填“R1”或“R2”)。
(2)实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图2所示的选择开关旋至________(选填“A”“B”“C”或“D”)。
(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查。在图1中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)。
(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是________。(填写各步骤前的序号)
①将热敏电阻接入电路
②观察到继电器的衔铁被吸合
③断开开关，将电阻箱从电路中移除
④合上开关，调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1 Ω
解析：(1)如果电源用E1，则在t＝30 ℃时电路中的最大电流Im＝ A≈13.67 mA<15 mA，故不能实现对此温度的控制，因此电源应选用E2；为了在t＝80 ℃时实现对温度的控制，设滑动变阻器阻值的最大值至少为R′，则＝0.015 A，解得R′＝330.9 Ω，因此滑动变阻器应选用R2。
(2)要用多用电表的直流电压挡检测故障，应将选择开关旋至C。
(3)如果只有b、c间断路，说明b点与电源的负极间没有形成通路，a、b间的电压为零，表笔接在a、b间时，指针不偏转；c点与电源的负极间形成通路，a与电源的正极相通，a、c间有电压，因此两表笔接入a、c间时指针发生偏转。
(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合，应先断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，并将阻值调至108.1 Ω，合上开关，调节滑动变阻器的阻值，直至观察到继电器的衔铁被吸合，这时断开开关，将电阻箱从电路中移除，将热敏电阻接入电路。因此操作步骤的正确顺序是⑤④②③①。
答案：(1)E2　R2　(2)C　(3)不偏转　偏转　
(4)⑤④②③①