資源簡介

3　利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置
[學(xué)習(xí)目標(biāo)]　
1.進(jìn)一步理解常用傳感器的工作原理及應(yīng)用(重點(diǎn))。
2.學(xué)會(huì)利用傳感器制作自動(dòng)控制裝置(難點(diǎn))。
一、門窗防盜報(bào)警裝置
1.實(shí)驗(yàn)器材和裝置
干簧管作為傳感器，用于感知磁體磁場(chǎng)是否存在。繼電器(虛線框部分)作為執(zhí)行裝置。發(fā)光二極管LED作為電路正常工作提示，R為發(fā)光二極管的限流電阻，起保護(hù)作用。蜂鳴器H作為報(bào)警提醒。電路設(shè)計(jì)如圖。
2．電路工作原理
當(dāng)門窗緊閉時(shí)，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個(gè)簧片被磁化相吸，繼電器接通而工作，繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)c與常開觸點(diǎn)a接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)門窗開啟時(shí)，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，動(dòng)觸點(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報(bào)警。
3．實(shí)驗(yàn)操作
(1)檢查干簧管。用磁體直接靠近干簧管，觀察干簧管簧片能否正常動(dòng)作。
(2)連接電路。連接電路前，要檢查其他元件是否也能正常工作。
(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
例1　(2022·海門市證大中學(xué)期中)如圖所示是某保密室的防盜報(bào)警電路，當(dāng)有人闖入保密室時(shí)會(huì)使開關(guān)S閉合。下列說法正確的是(　　)
A．電磁繼電器與發(fā)電機(jī)工作原理相同
B．電磁鐵的磁性強(qiáng)弱只與電流大小有關(guān)
C．電磁鐵工作時(shí)，上端為S極
D．當(dāng)有人闖入保密室時(shí)，b燈亮
二、光控開關(guān)及其應(yīng)用
1．實(shí)驗(yàn)器材和裝置
光敏電阻能完成光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)變。晶體三極管有電流放大作用，在控制電路中常用作電子開關(guān)。發(fā)光二極管LED模仿路燈。電路設(shè)計(jì)如圖甲。
為了能夠驅(qū)動(dòng)更大功率的負(fù)載，需用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖乙所示。
2．電路工作原理
(1)光較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值小，三極管不導(dǎo)通，繼電器斷路，處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮。
(2)光較弱時(shí)，光敏電阻阻值變大，三極管導(dǎo)通，產(chǎn)生較大的集電極電流，點(diǎn)亮發(fā)光二極管或驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，點(diǎn)亮小燈泡L。
3．實(shí)驗(yàn)操作
(1)連接電路，檢查無誤后，接通電源。
(2)用光照射光敏電阻，調(diào)節(jié)R1，使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光。
(3)減弱光敏電阻的光照強(qiáng)度，當(dāng)光減弱到某種程度時(shí)，發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光。
(4)讓光照加強(qiáng)，當(dāng)光照強(qiáng)到某種程度時(shí)，發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。
例2　光敏電阻在各種自動(dòng)化裝置中有很多應(yīng)用。街道路燈自動(dòng)控制就是其應(yīng)用之一，如圖所示電路為模擬電路，其中A為一光敏電阻，B為電磁繼電器，C為電流信號(hào)放大器，D為路燈。請(qǐng)連成正確的電路，達(dá)到日出路燈熄、日落路燈亮的效果。
三、熱敏電阻的應(yīng)用
例3　在溫度為10 ℃左右的環(huán)境中工作的自動(dòng)恒溫箱簡圖如圖甲所示，箱內(nèi)電阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖像如圖乙所示。當(dāng)a、b端電壓Uab<0時(shí)，電壓鑒別器會(huì)令開關(guān)S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高；當(dāng)Uab≥0時(shí)，電壓鑒別器會(huì)令開關(guān)S斷開，停止加熱，恒溫箱內(nèi)的溫度恒定在________℃。
例4　(2022·宿遷市高二期中)某同學(xué)制作一個(gè)簡易的溫控裝置，實(shí)驗(yàn)電路如圖甲，繼電器與熱敏電阻Rt、滑動(dòng)變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端，當(dāng)繼電器的電流達(dá)到或超過30 mA時(shí)，銜鐵被吸合，加熱器停止加熱，實(shí)現(xiàn)溫控。繼電器的電阻約為20 Ω，熱敏電阻的阻值Rt隨溫度t變化的關(guān)系如圖乙所示：
(1)提供的實(shí)驗(yàn)器材有：電源E(12 V，內(nèi)阻不計(jì))、滑動(dòng)變阻器R1(0～200 Ω)、滑動(dòng)變阻器R2(0～4 000 Ω)、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱0～999.9 Ω、開關(guān)S、導(dǎo)線若干。要啟動(dòng)繼電器，則電路中的總電阻需滿足：R繼電器＋R＋Rt≤________ Ω。為使該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)30～80 ℃之間任一溫度的控制，滑動(dòng)變阻器R應(yīng)選用________(選填R1或R2)。
(2)如果要把溫控裝置設(shè)置為50 ℃，應(yīng)先用電阻箱替代熱敏電阻，把電阻箱數(shù)值調(diào)至________ Ω，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，直至繼電器的銜鐵被吸合。然后斷開開關(guān)，再重新把熱敏電阻替換電阻箱。
(3)該溫控裝置在________(填“低溫區(qū)域”或“高溫區(qū)域”)靈敏度更高。甲、乙兩位同學(xué)就提高該溫控裝置的靈敏度方案進(jìn)行了討論：甲同學(xué)認(rèn)為應(yīng)該換一個(gè)24 V的電源，電動(dòng)勢(shì)越大越容易驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，可以提高溫控裝置的靈敏度；乙同學(xué)則認(rèn)為應(yīng)該換一個(gè)6 V的電源，這樣使繼電器啟動(dòng)的電阻更小，熱敏電阻占總電阻的比例增大，其控制效果更好。你認(rèn)為________(填甲或乙)同學(xué)的分析更有道理。
3　利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置
[學(xué)習(xí)目標(biāo)]　
1.進(jìn)一步理解常用傳感器的工作原理及應(yīng)用(重點(diǎn))。
2.學(xué)會(huì)利用傳感器制作自動(dòng)控制裝置(難點(diǎn))。
一、門窗防盜報(bào)警裝置
1.實(shí)驗(yàn)器材和裝置
干簧管作為傳感器，用于感知磁體磁場(chǎng)是否存在。繼電器(虛線框部分)作為執(zhí)行裝置。發(fā)光二極管LED作為電路正常工作提示，R為發(fā)光二極管的限流電阻，起保護(hù)作用。蜂鳴器H作為報(bào)警提醒。電路設(shè)計(jì)如圖。
2．電路工作原理
當(dāng)門窗緊閉時(shí)，磁體M靠近干簧管SA，干簧管兩個(gè)簧片被磁化相吸，繼電器接通而工作，繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)c與常開觸點(diǎn)a接通，發(fā)光二極管LED發(fā)光，顯示電路處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)門窗開啟時(shí)，磁體離開干簧管，干簧管失磁斷開，繼電器被斷電，動(dòng)觸點(diǎn)c與常閉觸點(diǎn)b接通，蜂鳴器H發(fā)聲報(bào)警。
3．實(shí)驗(yàn)操作
(1)檢查干簧管。用磁體直接靠近干簧管，觀察干簧管簧片能否正常動(dòng)作。
(2)連接電路。連接電路前，要檢查其他元件是否也能正常工作。
(3)接通電源后，將磁體靠近和離開干簧管，分別觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
例1　(2022·海門市證大中學(xué)期中)如圖所示是某保密室的防盜報(bào)警電路，當(dāng)有人闖入保密室時(shí)會(huì)使開關(guān)S閉合。下列說法正確的是(　　)
A．電磁繼電器與發(fā)電機(jī)工作原理相同
B．電磁鐵的磁性強(qiáng)弱只與電流大小有關(guān)
C．電磁鐵工作時(shí)，上端為S極
D．當(dāng)有人闖入保密室時(shí)，b燈亮
答案　D
解析　電磁繼電器是利用電流的磁效應(yīng)工作的，發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理制成的，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；電磁鐵的磁性強(qiáng)弱和電流大小、線圈的匝數(shù)及有無鐵芯有關(guān)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；由題圖可知電磁鐵工作時(shí)線圈中電流的方向，根據(jù)安培定則可知，電磁鐵工作時(shí)，上端為N極，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；當(dāng)有人闖入保密室時(shí)會(huì)使開關(guān)S閉合，電磁鐵有磁性，吸引銜鐵向下移動(dòng)，b燈所在電路接通，b燈亮，選項(xiàng)D正確。
二、光控開關(guān)及其應(yīng)用
1．實(shí)驗(yàn)器材和裝置
光敏電阻能完成光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)變。晶體三極管有電流放大作用，在控制電路中常用作電子開關(guān)。發(fā)光二極管LED模仿路燈。電路設(shè)計(jì)如圖甲。
為了能夠驅(qū)動(dòng)更大功率的負(fù)載，需用繼電器來啟、閉另外的供電電路，如圖乙所示。
2．電路工作原理
(1)光較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值小，三極管不導(dǎo)通，繼電器斷路，處于常開狀態(tài)，小燈泡L不亮。
(2)光較弱時(shí)，光敏電阻阻值變大，三極管導(dǎo)通，產(chǎn)生較大的集電極電流，點(diǎn)亮發(fā)光二極管或驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，點(diǎn)亮小燈泡L。
3．實(shí)驗(yàn)操作
(1)連接電路，檢查無誤后，接通電源。
(2)用光照射光敏電阻，調(diào)節(jié)R1，使發(fā)光二極管LED或小燈泡L剛好不發(fā)光。
(3)減弱光敏電阻的光照強(qiáng)度，當(dāng)光減弱到某種程度時(shí)，發(fā)光二極管LED或小燈泡L發(fā)光。
(4)讓光照加強(qiáng)，當(dāng)光照強(qiáng)到某種程度時(shí)，發(fā)光二極管LED或小燈泡L熄滅。
例2　光敏電阻在各種自動(dòng)化裝置中有很多應(yīng)用。街道路燈自動(dòng)控制就是其應(yīng)用之一，如圖所示電路為模擬電路，其中A為一光敏電阻，B為電磁繼電器，C為電流信號(hào)放大器，D為路燈。請(qǐng)連成正確的電路，達(dá)到日出路燈熄、日落路燈亮的效果。
答案　見解析圖
解析　當(dāng)有光照射時(shí)，光敏電阻阻值較小，電流經(jīng)過放大器輸出一個(gè)較大的電流，驅(qū)動(dòng)電磁繼電器吸合，使兩個(gè)觸點(diǎn)斷開；當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻阻值增大，電流減小，放大器輸出電流減小，電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個(gè)觸點(diǎn)閉合，控制路燈電路接通，路燈開始工作，電路如圖所示。
三、熱敏電阻的應(yīng)用
例3　在溫度為10 ℃左右的環(huán)境中工作的自動(dòng)恒溫箱簡圖如圖甲所示，箱內(nèi)電阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖像如圖乙所示。當(dāng)a、b端電壓Uab<0時(shí)，電壓鑒別器會(huì)令開關(guān)S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高；當(dāng)Uab≥0時(shí)，電壓鑒別器會(huì)令開關(guān)S斷開，停止加熱，恒溫箱內(nèi)的溫度恒定在________℃。
答案　35
解析　設(shè)電路路端電壓為U，當(dāng)Uab＝0時(shí)，有＝，代入數(shù)據(jù)解得Rt＝20 kΩ，由題圖乙可知，當(dāng)Rt＝20 kΩ時(shí)，t＝35 ℃。
例4　(2022·宿遷市高二期中)某同學(xué)制作一個(gè)簡易的溫控裝置，實(shí)驗(yàn)電路如圖甲，繼電器與熱敏電阻Rt、滑動(dòng)變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端，當(dāng)繼電器的電流達(dá)到或超過30 mA時(shí)，銜鐵被吸合，加熱器停止加熱，實(shí)現(xiàn)溫控。繼電器的電阻約為20 Ω，熱敏電阻的阻值Rt隨溫度t變化的關(guān)系如圖乙所示：
(1)提供的實(shí)驗(yàn)器材有：電源E(12 V，內(nèi)阻不計(jì))、滑動(dòng)變阻器R1(0～200 Ω)、滑動(dòng)變阻器R2(0～4 000 Ω)、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱0～999.9 Ω、開關(guān)S、導(dǎo)線若干。要啟動(dòng)繼電器，則電路中的總電阻需滿足：R繼電器＋R＋Rt≤________ Ω。為使該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)30～80 ℃之間任一溫度的控制，滑動(dòng)變阻器R應(yīng)選用________(選填R1或R2)。
(2)如果要把溫控裝置設(shè)置為50 ℃，應(yīng)先用電阻箱替代熱敏電阻，把電阻箱數(shù)值調(diào)至________ Ω，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，直至繼電器的銜鐵被吸合。然后斷開開關(guān)，再重新把熱敏電阻替換電阻箱。
(3)該溫控裝置在________(填“低溫區(qū)域”或“高溫區(qū)域”)靈敏度更高。甲、乙兩位同學(xué)就提高該溫控裝置的靈敏度方案進(jìn)行了討論：甲同學(xué)認(rèn)為應(yīng)該換一個(gè)24 V的電源，電動(dòng)勢(shì)越大越容易驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，可以提高溫控裝置的靈敏度；乙同學(xué)則認(rèn)為應(yīng)該換一個(gè)6 V的電源，這樣使繼電器啟動(dòng)的電阻更小，熱敏電阻占總電阻的比例增大，其控制效果更好。你認(rèn)為________(填甲或乙)同學(xué)的分析更有道理。
答案　(1)400　R1　(2)80　(3)低溫區(qū)域　甲
解析　(1)當(dāng)繼電器的電流達(dá)到或超過30 mA時(shí)，才能吸合，所以
I＝≥30 mA
則R繼電器＋R＋Rt≤ Ω＝400 Ω
結(jié)合繼電器的電阻約為20 Ω，熱敏電阻的最大值為200 Ω，所以滑動(dòng)變阻器選R1；
(2)由題圖乙看出，當(dāng)溫度為50 ℃，熱敏電阻Rt＝80 Ω，用電阻箱替代熱敏電阻，所以把電阻箱數(shù)值調(diào)到80 Ω；
(3)從題圖乙看出，高溫區(qū)電阻的變化比較平緩，即較大的溫度變化才能引起一定的電阻變化，而在低溫區(qū)，較小的溫度變化就能導(dǎo)致較大的電阻變化，從而使得電流發(fā)生較大的變化，所以低溫區(qū)域靈敏度高；若要提高靈敏度，需要電阻變化較小時(shí)能引起較大的電流變化，所以換一個(gè)24 V的電源可達(dá)到目的，則甲同學(xué)說法正確。

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