第44讲 实验传感器的简单应用.docx
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第44讲实验传感器的简单应用
一、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征．
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．
二、实验原理
传感器是将它所感受到的物理量（如力、热、光、声等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件．例如：
热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号；光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号，转换后的信号经过相应的仪器进行处理，就可达到自动控制等各种目的．
三、实验器材
铁架台，温度计，多用电表，烧杯，开水（可装在热水瓶内），冷水，热敏电阻，光敏电阻，导线，纸带，光电计数器，钩码．
四、实验步骤
1．热敏电阻特性实验：
如图所示．
①在烧杯内倒入少量冷水，放在铁架台上，将悬挂在铁架台上的温度计放入水中．
②将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，将两支表笔短接，调零后再将两支表笔分别与热敏电阻的两个输出端相连．
③将热敏电阻放入烧杯内的水中，在欧姆挡上选择合适的倍率，再重新调零，把两支表笔接到热敏电阻两输出端，观察表盘指示的热敏电阻的阻值，填入表格内．
实验记录：
实验次数
1
2
3
4
5
6
温度/℃
电阻/Ω
④分几次向烧杯内倒入开水，观察不同温度时热敏电阻的阻值，记录在表格内．
⑤通过比较这些测得的数据，看看热敏电阻的阻值是怎样随温度变化的．
⑥将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡，拆开装置，将器材按原样整理好．
2．光敏电阻特性实验：
如图所示．
①将多用电表的选择开关置于欧姆挡，选择合适的倍率，将两支表笔短接后调零．
②把多用电表的两支表笔接到光敏电阻的两个输出端，观察表盘指示的光敏电阻的阻值，记录下来．
③将手张开放在光敏电阻的上方，挡住照到光敏电阻上的部分光线，观察表盘所示光敏电阻阻值的变化，记录下来．
④上下移动手掌，观察光敏电阻阻值的变化．
⑤将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡，拆开装置，将器材按原样整理好．
3．光电计数的基本原理．
将钩码放在纸带上，如图所示．拖动纸带向前运动，观察光电计数器上的数字变化．
4．简单自动控制实验．
请同学们自己设计一个由热敏电阻或光敏电阻作为传感器的简单自动控制实验．
五、注意事项
1．在做热敏实验时，加开水后要等一会再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温．
2．可用图象描出电阻随温度的变化图象来分析其规律．
3．光敏实验中，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．光电计数器是比较精密的仪器，使用过程中注意轻拿轻放．
1．如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻．当照射光强度增大时，下列说法错误的是（ D ）
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．路端电压增大
解析：
当照射光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故路端电压减小，A正确，D错误；由路端电压减小而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B正确；结合干路电流增大知，流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C正确．
2．如图所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变暗，发生这一现象的主要原因是（ C ）
A．小灯泡的电阻发生了变化
B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D．电源的电压随温度发生了变化
解析：
温度升高，金属电阻丝电阻率增大，电阻增大，电路中电流减小，灯泡亮度减弱．
3．利用传感器可以探测、感受外界的信号、物理条件等．图甲为某同学用传感器做实验得到的小灯泡的UI关系图线．
（1）实验室提供的器材有：
电流传感器、电压传感器、滑动变阻器A（阻值范围0～10Ω）、滑动变阻器B（阻值范围0～100Ω）、电动势为6V的电源（不计内阻）、小灯泡、开关、导线若干．该同学做实验时，滑动变阻器选用的是A（选填“A”或“B”）；请在图乙的方框中画出该实验的电路图．
答案：
如图所示
（2）如果将该小灯泡接入如图丙所示的电路中，已知电流传感器的示数为0.3A，电源电动势为3V，则此时小灯泡的电功率为0.69（0.66～0.72均可）W，电源的内阻为2.3（2.0～2.6均可）Ω.（保留2位有效数字）
解析：
（1）通过小灯泡的电流应由零开始逐渐增大，所以控制电路应采用分压接法，实验电路图如图所示；由图甲知，电流为0.4A时，小灯泡电阻约为10Ω，采用滑动变阻器分压接法时，滑动变阻器宜选用0～10Ω的滑动变阻器A；
（2）由图甲知，电流为0.3A对应的电压约为2.3V，则此时小灯泡的电功率约为P＝UI＝0.69W，电源内阻r＝
＝2.3Ω.
突破点一 对实验原理和数据处理的考查
例1 如图所示，图甲为热敏电阻的Rt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，继电器线圈的电阻为150Ω.当线圈中的电流大于或等于20mA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＝6V，内阻可以不计．图中的“电源”是恒温箱加热器的电源．
（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100℃，可变电阻R′的值应调节为________Ω.
（3）为使恒温箱内的温度保持在更高的数值，可变电阻R′的值应________（选填“增大”或“减小”）．
【尝试解题】
（1）当温度较低的时候，热敏电阻的电阻较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与AB部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以该把恒温箱内的加热器接在A、B端．
（2）当温度达到100℃时，加热电路就要断开，此时继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要到达20mA，根据闭合电路欧姆定律可得，I＝
，解得R′＝100Ω.
（3）由上可知，若恒温箱内的温度保持在更高的数值，则可变电阻R′的值应增大，会导致R电阻变小，从而实现目标．
【答案】
（1）A、B端
（2）100 （3）增大
1．角速度计可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度，其结构如图所示．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，则（ D ）
A．电路中电流随角速度的增大而增大
B．电路中电流随角速度的减小而减小
C．弹簧的伸长量为x＝
D．输出电压U与ω的函数式为U＝
解析：
系统在水平面内以角速度ω转动时，无论角速度增大还是减小，BC的电阻不变，根据闭合电路欧姆定律得知，电路中电流保持不变，与角速度无关，故A、B项错误；设系统在水平面内以角速度ω转动时，弹簧伸长的长度为x，则对元件A，根据牛顿第二定律得：
kx＝mω2（l＋x），x＝
，又输出电压U＝
E＝
E，联立两式得U＝
，故C项错误，D项正确．
2．（2019·三明模拟）如图所示是工业生产中大部分光电控制设备用到的光控继电器的示意图，它由电源、光电管、放大器、电磁继电器等几部分组成．
（1）示意图中，a端就是电源正极．
（2）光控继电器的原理是：
当光照射光电管时，见解析．
解析：
（1）示意图中，a端就是电源正极．
（2）光控继电器的原理是：
当光照射光电管时，阴极K发射电子，电路中产生电流，经放大器放大后的电流使电磁铁M磁化，将衔铁N吸住；无光照射光电管时，电路中无电流，N自动离开M.
3．如图所示为一种加速度仪的示意图．质量为m的振子两端连有劲度系数均为k的轻弹簧，电源的电动势为E，不计内阻，滑动变阻器的总阻值为R，有效长度为L，系统静止时，滑动触头位于滑动变阻器正中，这时电压表指针恰好在刻度盘正中．
（1）系统的加速度a（以向右为正）和电压表读数U的函数关系式为a＝
（E－2U）．
（2）若电压表指针指在满刻度的
位置，此时系统的加速度大小为
和方向向左（选填“左”或“右”）．
解析：
（1）当振子向左偏离变阻器中间位置x距离时，对振子，根据牛顿第二定律得：
2kx＝ma，根据欧姆定律和串联电路分压特点得：
U＝
E，联立得：
a＝
（E－2U）．
（2）由加速度的表达式可知，a与U是线性关系，所以加速度仪的刻度盘是均匀的，当变阻器触片滑到最右端时电压表的读数等于电源的电动势E，得到电压表指针指在满刻度的
位置时电压值为U＝
E.
代入到加速度a的表达式得：
a＝－
，负号表示方向向左．
突破点二 对电路图和实物图连接的考查
例2 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，请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线．
（2）光敏电阻随照度变化的特点是________．
（3）如图所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统．直流电源电动势E＝3V，内阻不计；光敏电阻RP（符号
，阻值见表格）；定值电阻R1＝10kΩ.求当天色渐暗照度降低至________lx时启动照明系统．并将电路图补充完整．（不考虑控制开关对所设计电路的影响）
【尝试解题】
（1）根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后根据描出的点作出图象，图象如图所示．
（2）由
（1）图可以看出，光敏电阻的电阻阻值随照度变化的特点是：
光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小．
（3）由题意，启动照明系统时，电源电动势为3V，分压电阻两端的电压是1V，分压电阻阻值为10kΩ，所以此时光敏电阻两端电压为2V，由串联电路的分压特点得：
＝
＝
，则RP＝2R1＝2×10kΩ＝20kΩ.
由表格中的数据可知，当天色渐暗照度降低至1.0（lx）时启动照明系统，即此时光敏电阻阻值为20kΩ，两端电压为2V，会启动照明系统．
【答案】
（1）见尝试解题图
（2）光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小
（3）1.0 电路图见尝试解题图
4．
（1）为了测定光敏电阻Rx的光敏特性，某同学使用多用表“×100”的欧姆挡测其在正常光照下的大致电阻，示数如图甲所示，则所测得的阻值Rx＝3_200Ω.
（2）为了比较光敏电阻在正常光照射和强光照射时电阻的大小关系，采用伏安法测电阻得出两种“UI”图线如图乙所示，由此可知正常光照射时光敏电阻阻值为3_000Ω，强光照射时光敏电阻阻值为200Ω.
（3）考虑到电表内阻对实验结果的影响，图丙电路中测量值小于（选填“大于”“小于”或“等于”）真实值，请根据图丙将图丁中的仪器连接成完整实验电路．
答案：
实物图见解析图
解析：
（1）所测得的阻值Rx＝32×100Ω＝3200Ω.
（2）正常光照射时光敏电阻阻值为R1＝
Ω＝3000Ω；强光照射时光敏电阻阻值为R2＝
Ω＝200Ω.
（3）根据R测＝
<
＝R真，图丙电路中测量值小于真实值；实验电路如图所示．
5．如图甲所示是一种常用的力传感器，它是利用金属电阻应变片将力的大小转换为电阻大小变化的传感器．常用的力传感器由金属梁和应变片组成，且力F越大，应变片弯曲程度越大，应变片的电阻变化就越大，输出的电压差ΔU＝|U1－U2|也就越大．已知传感器不受压力时的电阻约为19Ω，为了准确地测量该阻值，设计了以下实验，实验原理图如图乙所示．
实验室提供以下器材：
A．定值电阻R0（R0＝5Ω）
B．滑动变阻器（阻值为2Ω，额定功率为50W）
C．电流表A1（0.6A，内阻r1＝1Ω）
D．电流表A2（0.6A，内阻r2约为5Ω）
E．直流电源E1（电动势3V，内阻约为1Ω）
F．直流电源E2（电动势6V，内阻约为2Ω）
G．开关S及导线若干
（1）当金属梁没有受到压力时，两应变片的电阻相等，通过两应变片的电流相等，则输出的电压差ΔU等于零（选填“大于零”“小于零”或“等于零”）．
（2）图乙中①、②为电流表，其中电流表①选A1（选填“A1”或“A2”），电源选E2（选填“E1”或“E2”）．
（3）在供电电路中滑动变阻器有两种连接方式：
一种是限流式，另一种是分压式，本实验应选择的方式为分压式．
（4）在图丙中，将原电路B、C间导线断开，并将滑动变阻器与原设计的电路A、B、C端的一些端点连接，调节滑动变阻器，测量多组数据，从而使实验结果更准确，请在图丙中正确连接电路．
答案：
电路见解析图
（5）结合上述实验步骤可以得出电阻的表达式为
（两电流表的电流分别用I1、I2表示）．
解析：
（1）当金属梁没有受到压力时，两应变片的电阻相等，通过两应变片的电流相等，U1、U2相等，则输出的电压差等于零．
（2）图中①要当电压表使用，因此内阻已知，选用电流表A1；压力传感器与A1并联后总电阻约为1Ω.除电源内阻，回路总电阻约为R0＋r2＋1Ω＝11Ω，电流表的满偏电流都为0.6A，因此电源电压需要接近于6.6V，选电源E2.
（3）滑动变阻器的总阻值约为待测电阻的
，用限流式时，电流变化范围太小，因此滑动变阻器接成分压式．
（4）将原电路B、C间导线断开，A、B两端接全阻值，C端接在变阻器的滑动端，如图所示：
（5）由电路图知，通过待测电阻的电流为I2－I1，加在待测电阻两端的电压为I1r，故待测电阻为
.
突破点三 实验拓展与创新
例3 （2016·全国卷Ⅰ）现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时，系统报警．提供的器材有：
热敏电阻，报警器（内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警），电阻箱（最大阻值为999.9Ω），直流电源（输出电压为U，内阻不计），滑动变阻器R1（最大阻值为1000Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2000Ω），单刀双掷开关一个，导线若干．在室温下对系统进行调节，已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60℃时阻值为650.0Ω.
（1）完成待调节的报警系统原理电路图的连线．
（2）电路中应选用滑动变阻器________（选填“R1”或“R2”）．
（3）按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________（选填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是______________________________________________________．
②将开关向________（选填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至________________________．
（4）保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用．
【尝试解题】
（1）电路连接如图所示
（2）据R＝
－Rt＝1800Ω－650Ω＝1150Ω，可知电路中应选用滑动变阻器R2.
（3）调试时将电阻箱调到热敏电阻在60℃时的阻值，即650.0Ω，滑动变阻器的滑片应置于阻值最大处，即b端附近，若置于另一端，则流过报警器的电流超过20mA，报警器可能损坏．开关向c端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警，调试完成．
【答案】
（1）如尝试解题图
（2）R2
（3）①650.0 b 若置于另一端则流过报警器的电流超过20mA，报警器可能损坏 ②c 报警器开始报警
6．（2017·江苏卷）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甲所示，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15mA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20Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如表所示．
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（3V，内阻不计）、电源E2（6V，内阻不计）、滑动变阻器R1（0～200Ω）、滑动变阻器R2（0～500Ω）、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱（0～999.9Ω）、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E2（选填“E1”或“E2”），滑动变阻器R应选用R2（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，则应将如图乙所示的选择开关旋至C（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，在图甲中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针不偏转（选填“偏转”或“不偏转”），接入a、c时指针偏转（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，下列操作步骤正确顺序是⑤④②③①.（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108.1Ω
解析：
（1）要想控制30℃时的情况，此时热敏电阻的阻值约为200Ω，需要的最小电动势E＝0.015×（200＋20）V＝3.3V；因为还要考虑滑动变阻器的阻值，因此3V的电源电动势太小，应选择6V的电源E2；要想控制80℃时的情况，电路中最小电阻Rmin＝
＝400Ω，滑动变阻器接入电阻R滑＝400Ω－49.1Ω－20Ω＝330.9Ω，故应选择滑动变阻器R2.
（2）要想测量电压，应将旋钮旋至直流电压挡位上，因电动势为6V，故应选择10V量程，故旋至C点．（3）若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时电表与电源不连接，因此指针不偏转；而接入a、c时，电表与电源直接连接，故指针发生偏转．（4）要使50℃时衔铁被吸合，由表格数据可以知道，电阻为108.1Ω；应先用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1Ω；再合上开关，调节滑动变阻器的阻值，直到观察到继电器的衔铁被吸合；此时再断开开关将电阻箱取下，接入热敏电阻即可实现实验目的；故步骤为⑤④②③①.
7．小明在观看了宾馆等处的光电烟雾探测器（如图甲所示）后，自己设计了一只“火灾报警器”．该报警器由“控制电路”和“工作电路”所组成，其中“控制电路”由光敏电阻R、电磁铁（线圈阻值R0＝15Ω）、电源U＝6V、开关等组成；“工作电路”由工作电源、电铃、导线等组成，其中工作电压为220V，报警器工作时电路中的电流为0.3A.
小明的设计思想：
当光敏电阻接收到的光照减弱到一定程度时，工作电路接通，电铃报警．
已知该光敏电阻的阻值R与光强E之间的一组实验数据如表所示：
（“光强”表示光强弱的程度，符号为E，单位为cd.）
光强E/cd
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
光敏电阻R/Ω
36.0
18.0
12.0
9.0
____
6.0
（1）小明分析如表数据并归纳出光敏电阻的阻值R随光强E变化的关系式为R＝
，试填写表格空格处的数据为7.2.
（2）闭合开关S，如果当线圈中的电流大于或等于250mA时，继电器的衔铁被吸合，则光敏电阻接收到的光照强度需要在多少cd以上？
答案：
4.0cd
（3）按小明的设计，当室内烟雾增大时，光照减弱，光敏电阻的阻值增大到一定值时，衔铁与上方（选填“上方”或“下方”）的M、N接触，报警器工作报警．
（4）报警器报警时，工作电路的功率为多大？
答案：
66W
解析：
（1）表格中的数据R＝
＝
Ω＝7.2Ω.
（2）当线圈中的电流I＝250mA＝0.25A时，由I＝
可得，电路中的总电阻：
R总＝
＝
＝24Ω，因串联电路中总电阻等于各分电阻之和，所以，光敏电阻的阻值：
R＝R总－R0＝24Ω－15Ω＝9Ω，查表可知，当电阻R＝9Ω时，光强E＝4.0cd.
（3）读图可知，当光照减弱时，电阻增大，电磁铁磁性减弱，所以衔铁会在弹簧的作用下弹向上方，与上方的M、N接触，报警器工作报警．
（4）报警器报警时，工作电路的功率：
P＝U′I′＝220V×0.3A＝66W.
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