实验11：传感器的简单使用

实验11：传感器的简单使用 一、实验目的 1.了解传感器的工作过程，探究敏感元件的特性。 2.能够简单使用传感器。 二、实验原理 传感器是将它感受到的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号。例如，光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号，热电传感器是利用热敏电阻或金属热电阻将温度信号转换成电信号，转换后的信号经过电子电路的处理就可以达到方便检测、自动控制、遥控等各种目的了。 三、实验器材 热敏电阻、光敏电阻、烧杯、温度计、热水、多用电表、小灯泡、学生电源、开关、滑动变阻器、铁架台、导线若干。 四、实验步骤 1.研究热敏电阻的热敏特性。 (1)按图10-3-1所示连接好电路，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 没有热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； (5)根据记录数据，把测量到的温度、电阻值填入下表中，分析热敏电阻的特性。 (6)在图10-3-2坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。 (7)根据实验数据和R-t 图线，得出结论：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。图10-3-1图10-3-2 次数待测量温度( )电阻() 2.研究光敏电阻的光敏特性。 (1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图10-3-3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)遮光时电阻值又是多少？并记录； (5)把记录的结果填入下表中，根据记录数据分析光敏电阻的特性。 结论：光 敏 电 阻 的 阻 值 被 光 照 射 时 发 生 变 化 ， 光 照 增 强 ， 电 阻 变 小 ， 光 强 减弱 ， 电 阻 变 大 。 五、注意事项 1.烧杯中加水改变温度时，要等待温度稳定后再测热敏电阻的阻值。并同时读取温度值。 2.欧姆表每次换挡后都要重新调零。 3.调节灯泡亮度时，注意不要超过其额定电压。图10-3-3光照强度弱中强无光照射阻值() 【例1】 2009年 高 考 山 东 理 综 卷 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： (1)根据表中数据，请在给定的坐标系(图10-3-4)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10-3-5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 k，R2=20 k，R3=40 k(限选其中之一并在图中标出) 开关S及导线若干。 热点一 光敏电阻的应用照度(lx) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2电阻(k) 75 40 28 23 20 18 图10-3-5图10-3-4 【解析】(1)光敏电阻随光照度变化的曲线如图10-3-6所示，其特点是：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。 (2)当光照度降至1.0(lx)时，光敏电阻的阻值为R P=20 k，设计原理图如图10-3-7所示。根据欧姆定律与串联电阻的分压 即 R=10 k 即与RP串联的电阻应选R1=10 k。图10-3-6图10-3-7RUERU p 1212 R23202 1光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用，比如用于街道路灯的自动控制。图10-3-8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】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，继电器B工作，吸住衔铁使触点断开，路灯熄灭。当夜晚降临，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。图10-3-8 【例2】如图10-3-9所示为某种电子秤的原理示 意图，AB为一均匀的滑动电阻器，阻值为 R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动 头。P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保 持水平状态而上下自由滑动。弹簧处于原长 时，P1刚好指着A端。P1与托盘固定相连， 若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大， 通过信号转换后在显示屏上可显示物体重 力的大小，已知弹簧的劲度系数为k，托盘 自身质量为m 0，电源电动势为E，内阻不计， 当地的重力加速度为g，求： (1)托盘尚未放物体时，在托盘自身重力作用下，P 1离A的距离x1； (2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2； (3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，试推想校准零点的方法？校准零点后，将物 体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间电压U之间的函数关系式。 热点二 传感器的应用图10-3-9 【解析】(1)弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，在托盘自身重力作用下(托盘自身质量为m 0)，P1离A的距离为x1，由力学平衡知识得：m 0g=kx1，所以x1= ； (2)由受力分析可知：m 0g+m g=kx2得:x2= ； (3)其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为x1，从而使P1、P2间电压为零。 当托盘上放有质量为m的物体时，P1离P2的距离为 x2-x1= 。 滑动变阻器与电源组成的电路中电流恒定，电源内阻不计，由闭合电路欧姆定律可知，I= 。 P 1、P2间电压U=IR12= ， 可解得： 。 【名师支招】本题背景内容新颖、形式灵活，这是现今高考的趋势之一。有的同学因读不透材料、得不到相关的信息而坠入云里雾中。题目意在考查学生对所学知识的理解能力、对实际问题的分析和判断能力、对图象信息的提取和加工能力。k gm 0 k gmm )( 0 UgEkLm km g 2 1( )E R Emgx xR L Lk RE 2某同学为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)，如图10-3-10所示。测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。现有下列器材：力电转换器、质量为m 0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，开关及导线若干，待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量。(1)设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范 围尽可能大，在图10-3-11的方框中画出完整的测量电路图。(2)简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m。(3)请设想实验中可能会出现的一个问题。 【答案】(1)设计的电路图如图所示。 (2)测量步骤与结果： 调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零； 将砝码放在转换器上，记下输出电压U 0； 将待测物放在转换器上，记下输出电压U； 由U0=km 0g，得 测得U=km g，所以 。 (3)因电源电压不够而输出电压调不到零；待测物体质量超出转换器量程。图10-3-10图10-3-1100UUmm gm Uk 00