1、- 1 -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
2、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
3、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- 2 -阻值 51 k)、电阻 R2(330 )、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 k)、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
4、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
5、，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- 3 -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
6、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
7、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
8、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。- 4 -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(k) 75 40 28 23 20 18(1)根据表中数据，请在图(1)中给定
9、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： 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。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
10、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， E3 V，当照度降低至 1.0 - 5 -lx 时，由图线知，此时光敏电阻 RP20 k， URP2 V，串联电阻分压 UR1 V，由 2 得 R 10 k，故选定值电阻 R1。URPUR RPR RP2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 ，现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为 ，则可判断( )A B C D不能确定 和 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
11、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
12、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，- 6 -以下说法正确的是( )A温度升高至 74 时，L 1亮灯报警B温度升高至 74 时，L 2亮灯报警C
13、温度升高至 78 时，L 1亮灯报警D温度升高至 78 时，L 2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
14、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 Rt 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
15、变化的响应更敏感。答案：增强 敏感- 7 -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
16、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 RRL。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
17、，实现温控。继电器的电阻约 20 ，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 80.0Rt/ 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(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_(选填“ E1”或“ E2”)，滑动变阻器 R 应选用_(选填“ R1”或“ R2”)。-
18、8 -(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)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
19、敏电阻，将阻值调至 108.1 解析：(1)如果电源用 E1，则在 t30 时电路中的最大电流 Im A13.67 3199.5 20mA15 mA，故不能实现对此温度的控制，因此电源应选用 E2；为了在 t80 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6 VR 20 49.1 R330.9 ，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 ，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。答案：(1) E2 R2 (2) C (3)不偏转 偏转 (4)- 9 -
