物理实验十一 传感器的简单使用

实验十一：传感器的简单使用1.实验目的(1)知道什么是传感器，知道光敏电阻和热敏电阻的作用.(2)能够通过实验探究“光敏电阻和热敏电阻的特性”.(3)了解常见的各种传感器的工作原理、元件特性及设计方案.2.实验原理非电学测量的量(1)传感器：传感器是将所感受到的诸如力、热、光、声、化学成分等_量转换成便于_(一般是电压、电流等电学量)的一类元件.(2)传感器的一般应用模式：由敏感元件、转换器件和转换电路三个部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理.(如图 S11-1 所示)图 S11-1工作过程：敏感元件将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量，如下所示.(3)传感器的分类：力电传感器、热电传感器、光电传感器、声电传感器、电容式传感器、磁电传感器、超声波传感器、气敏传感器等.(4)常见传感器元件力学电学力电传感器：把_(位移、速度、加速度等)信号转化为_(电压、电流等)信号.光敏电阻：无光照时，载流子(可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子)极少，阻值较大；随着光照的增强，载流子增多，阻值减小.能够把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量.热敏电阻：利用半导体材料制成，其电阻阻值随温度的升高而减小，能把_这个热学量转换为_这个电学量.温度电阻温度传感器电阻金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制成_，称为热电阻，能把温度这个热学量转换为_这个电学量.3.实验器材铁架台、热敏电阻、光敏电阻、多用电表、烧杯、温度计、冷水、热水、强光源、学生电源、小灯泡、滑动变阻器、导线、开关等.4.实验过程(1)研究热敏电阻的热敏特性.减小增大热敏电阻的阻值随温度的升高而_，随温度的降低而_.(2)研究光敏电阻的光敏特性.减小光敏电阻在光照加强的条件下，其阻值逐渐_.5.注意事项(1)在研究电阻的热敏特性时，热敏电阻、烧杯、温度计易破损，忌用温度计当搅拌器.(2)实验时，加热水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温.(3)在做光敏电阻实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少.(4)欧姆表每次换挡后都要重新调零.(5)当传感元件需要接入电路中时，要注意它的电学参数.【基础自测】1.观察电阻值随温度变化情况的示意图如图 S11-2 所示.现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是()A.若 R 为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显B.若 R 为金属热电阻，读数变小，且变化不明显C.若 R 为热敏电阻(半导体材料制成)，读数变化非常明显D.若 R 为热敏电阻(半导体材料制成)，图 S11-2读数变化不明显答案：C2.利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，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_(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 S11-3 甲所示)，则 25 的刻度应在 20 的刻度的_(填“左”或“右”)侧.甲乙图 S11-3(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 的刻度的右侧.(3)电路如图 D49 所示.答案：(1)小(2)右(3)如图 D49 所示.图 D493.如图 S11-4 所示，图甲为热敏电阻的 R-t 图象，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.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 E9.0 V，内阻不计.图中的“电源”是恒温箱加热器的电源.甲乙图 S11-4(1)应该把恒温箱内的加热器接在_(填“A、B 端”或“C、D 端”).(2)如果要使恒温箱内的温度保持在 50 ，可变电阻 R的阻值应调节为_.解析：恒温箱内的加热器应接在 A、B 端.当线圈中的电流较小时，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.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在 50 ，即 50 时线圈内的电流为 20 mA.由闭合电路欧姆定律 IErRR，r 为继电器的电阻.由题图R)260 .答案：(1)A、B端(2)260考点 1温度传感器的应用【典题 1】(2017 年江苏卷)某同学通过实验制作了一个简易的温控装置，实验原理电路图如图 S11-5 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.继电器的电阻约为 20 ，热敏电阻的阻值 Rt 与温度 t 的关系如下表所示：t/30.040.050.060.070.080.0Rt/199.5145.4108.181.862.949.1(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(0200 )、滑动变阻器 R2(0500 )、热敏电阻 Rt，继电器、电阻箱(0999.9 )、开关 S、导线若干.为使该装置实现对 3080 之间任一温度的控制，电源 E应选用_(填“E1”或“E2”)，滑动变阻器 R 应选用_(填“R1”或“R2”).图 S11-5(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 S11-6 所示的选择开关旋至_(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 S11-5中，若只有 b、c 间断路，则应发现表笔接入 a、b 时指针_(填“偏转”或“不偏转”)，接入 a、c 时指针_(填“偏转”或“不偏转”).图 S11-6(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)将热敏电阻接入电路；观察到继电器的衔铁被吸合；断开开关，将电阻箱从电路中移除；合上开关，调节滑动变阻器的阻值；断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至 108.1 .解析：(1)由表格数据知，当温度为 30 时，热敏电阻阻值为 199.5 ，继电器的阻值 R020 ，当电流为 15 mA 时，EI(RtR0)3.3 V，所以电源选 E2，80 时，热敏电阻阻值 Rt49.1 ，则 E2I(RtR0R)，此时变阻器阻值 R330.9 ，所以变阻器选择 R2；(2)多用电表作为电压表测量电压，旋钮旋至直流电压挡 C 处；(3)若只有 b、c 间断路，表笔接入 a、b 时，整个回路断路，电表指针不偏转，接入 a、c 时电流流经电表，故指针偏转；(4)50 时，热敏电阻阻值为 108.1 ，所以应将电阻箱阻值调至 108.1 ，调节变阻器，使衔铁吸合，再将电阻箱换成热敏电阻，故顺序为.答案：(1)E2R2 (2)C (3)不偏转 偏转 (4)照度/lx0.20.40.60.81.01.2电阻/k754028232018考点 2光电传感器的应用【典题 2】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所示：(1)根据表中数据，请在给定的坐标系(图 S11-7)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 S11-7(2)如图 S11-8 所示，当 1、2 两端所加的电压上升至 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)图 S11-8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：R110 k，R220 k，R340 k(限选其中之一并在图中标出)；开关 S 及导线若干.审题突破：光敏电阻的特点是当光照增强时载流子增多，导电能力增强，电阻变小；当光照减弱时载流子减少，导电能力减弱，电阻变大.要求在天色渐暗，照度降低至 1.0 lx 时启动照明系统，此时光敏电阻较大，让光敏电阻与控制开关并联即可.答案：(1)如图 S11-9 所示.特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大而非线性减小.(2)如图 S11-10 所示.图 S11-9图 S11-10方法技巧：这类题目设问虽很新颖独特，但所依据的物理原理、实验方法、实验器材却是课本上的基本实验中用过的，试题设问一般不难；只要平时学习或复习时对课本中的基本实验(原理)能够深刻理解，对涉及的基本实验器材能够熟练运用，注意将物理习题中的结论向物理实验迁移，分析问题时能灵活变通，不墨守成规，解决此类问题定可驾轻就熟.考点 3力电传感器的实际应用【典题 3】某学生为了测量一个物体的质量，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 S11-11 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.图 S11-11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，并且使调节范围尽可能大，在虚线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.审题突破：力电转换器虽然是一个全新的仪器，但它与其他所有的测量仪器一样，要有一个“调零”的过程.仔细审题，题目中有很多重要的暗示，挖掘这些信息即是我们解决问题的关键.“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 ”“该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为 k) ”，所以输出电压 Ukmg.题目要求“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”，这就暗示我们滑动变阻器必须使用分压式，有了设计电路才可以进行测量步骤.答案：(1)如图 D50 所示.图 D50(2)测量步骤如下：调节滑动变阻器，使转换器空载时的输出电压为零.将质量为 m0 的砝码放在转换器的受压面上，记下输出电压 U0，则可求 kU0m0g.将待测物体放在转换器的受压面上，记下输出电压 U1.