实验11：传感器的简单使用 一、实验目的一、实验目的 1.了解传感器的工作过程，探究敏感元件的特性。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。能够简单使用传感器。 二、实验原理二、实验原理 传感器是将它感受到的物理量传感器是将它感受到的物理量(如力、热、光、声等如力、热、光、声等)转换成转换成便于测量的量便于测量的量(一般是电学量一般是电学量)。其工作过程是通过对某一物理量敏感。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。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。灯泡、学生电源、开关、滑动变阻器、铁架台、导线若干。 四、实验步骤四、实验步骤 1.研究热敏电阻的热敏特性。研究热敏电阻的热敏特性。 (1)按图按图10-3-1所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理。所示连接好电路，将热敏电阻绝缘处理。 (2)把多用电表置于把多用电表置于“欧姆挡欧姆挡”，并选择适当的量程测出烧杯中，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；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；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；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。特性。 (6)在图在图10-3-2坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。化的图线。 (7)根据实验数据和根据实验数据和R-t 图线，得出结论：热敏电阻的阻值随图线，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。温度的升高而减小，随温度的降低而增大。图图10-3-1图图10-3-2 次数次数待测量待测量温度温度()电阻电阻() 2.研究光敏电阻的光敏特性。研究光敏电阻的光敏特性。 (1)将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按如图图10-3-3所示电路连接好，其中多用电表置于所示电路连接好，其中多用电表置于“100”挡；挡； (2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并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；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；逐渐变亮，观察表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录； (4)用手掌用手掌(或黑纸或黑纸)遮光时电阻值又是多少？并记录；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。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：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。弱，电阻变大。 五、注意事项五、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。读取温度值。 2.欧姆表每次换挡后都要重新调零。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。调节灯泡亮度时，注意不要超过其额定电压。图图10-3-3光照强度光照强度弱弱中中强强无光照射无光照射阻值阻值()【例【例1】20092009年高考山东理综卷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照度可以反映光的强 弱，光越强照度越大，照度单位为弱，光越强照度越大，照度单位为lx)。某光敏电阻。某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表：在不同照度下的阻值如下表： (1)根据表中数据，请在给定的坐标系根据表中数据，请在给定的坐标系(图图10-3-4)中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说 明阻值随照度明阻值随照度 变化的特点。变化的特点。 (2)如图如图10-3-5所示，当所示，当1、2两端所加两端所加 电压上升至电压上升至2 V时，控制开关自动启时，控制开关自动启 动照明系统，请利用下列器材设计动照明系统，请利用下列器材设计 一个简一个简 单电路，给单电路，给1、2两端提供电两端提供电 压，要求当天色渐暗照度降低至压，要求当天色渐暗照度降低至1.0 (lx)时启动照明系统，在虚线框内完时启动照明系统，在虚线框内完 成电路原理图。成电路原理图。(不考虑控制开关对所不考虑控制开关对所 设计电路的影响设计电路的影响) 提供的器材如下：提供的器材如下： 光敏电阻光敏电阻RP(符号符号 ，阻值见上表，阻值见上表)； 直流电源直流电源E(电动势电动势3 V，内阻不计，内阻不计)； 定值电阻：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限选其中之一并在图中标出) 开关开关S及导线若干。及导线若干。热点一热点一 光敏电阻的应用光敏电阻的应用照度照度(lx)0.20.40.60.81.01.2电阻电阻(k)754028232018图图10-3-5图图10-3-4 【解析解析】(1)光敏电阻随光照度变化的曲线如图光敏电阻随光照度变化的曲线如图10-3-6所示，其特点所示，其特点是：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。是：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。 (2)当光照度降至当光照度降至1.0(lx)时，光敏电阻的阻值为时，光敏电阻的阻值为RP=20 k，设计原理，设计原理图如图图如图10-3-7所示。根据欧姆定律与串联电阻的分压所示。根据欧姆定律与串联电阻的分压 即即 R=10 k 即与即与RP串联的电阻应选串联的电阻应选R1=10 k。图图10-3-6图图10-3-7 1光敏电阻在各种自动化装置中有很多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。应用，比如用于街道路灯的自动控制。图图10-3-8为模拟电路，其中为模拟电路，其中A为光敏电为光敏电阻，阻，B为电磁继电器，为电磁继电器，C为照明电路，为照明电路，D为路灯，请连成正确的电路，达到为路灯，请连成正确的电路，达到日出灯熄，日落灯亮的效果。日出灯熄，日落灯亮的效果。 【答案【答案】当天亮时，光线照射光敏电阻当天亮时，光线照射光敏电阻A。其阻值迅速减小，控制回路电流增。其阻值迅速减小，控制回路电流增大，继电器大，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，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。点亮。图图10-3-8【例例2】如图】如图10-3-9所示为某种电子秤的原理示所示为某种电子秤的原理示 意图，意图，AB为一均匀的滑动电阻器，阻值为为一均匀的滑动电阻器，阻值为 R，长度为，长度为L，两边分别有，两边分别有P1、P2两个滑动两个滑动 头。头。P1可在竖直绝缘光滑的固定杆可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保上保 持水平状态而上下自由滑动。弹簧处于原长持水平状态而上下自由滑动。弹簧处于原长 时，时，P1刚好指着刚好指着A端。端。P1与托盘固定相连，与托盘固定相连， 若若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，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力的大小，已知弹簧的劲度系数为k，托盘，托盘 自身质量为自身质量为m0，电源电动势为，电源电动势为E，内阻不计，内阻不计， 当地的重力加速度为当地的重力加速度为g，求：，求： (1)托盘尚未放物体时，在托盘自身重力作用下，托盘尚未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离离A的距离的距离x1； (2)托盘上放有质量为托盘上放有质量为m的物体时，的物体时，P1离离A的距离的距离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？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，将物校准零点后，将物 体体m放在托盘上，试推导出物体质量放在托盘上，试推导出物体质量m与与P1、P2间电间电压压U之间的函数关系式。之间的函数关系式。热点二热点二 传感器的应用传感器的应用图图10-3-9 【解析解析】(1)弹簧处于原长时，弹簧处于原长时，P1刚好指着刚好指着A端，在托盘自身重力作用端，在托盘自身重力作用下下(托盘自身质量为托盘自身质量为m0)，P1离离A的距离为的距离为x1，由力学平衡知识得：，由力学平衡知识得：m0g=kx1，所以，所以x1= ； (2)由受力分析可知：由受力分析可知：m0g+mg=kx2得得:x2= ； (3)其方法是：调节其方法是：调节P2，使，使P2离离A的距离也为的距离也为x1，从而使，从而使P1、P2间电间电压为零。压为零。 当托盘上放有质量为当托盘上放有质量为m的物体时，的物体时，P1离离P2的距离为的距离为 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，电路欧姆定律可知，I= 。 P1、P2间电压间电压U=IR12= ， 可解得：可解得： 。 【名师支招【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。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。 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于受压面的压力(比例系数为比例系数为k)，如图，如图10-3-10所示。测量时先调节输入端的电压，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；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。现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电的砝码、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(可置于力电转换可置于力电转换器的受压面上器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量。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，在图围尽可能大，在图10-3-11的方框中画出完整的测量电路图。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，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。请设想实验中可能会出现的一个问题。 【答案【答案】(1)设计的电路图如图所示。设计的电路图如图所示。 (2)测量步骤与结果：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；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，记下输出电压将砝码放在转换器上，记下输出电压U0； 将待测物放在转换器上，记下输出电压将待测物放在转换器上，记下输出电压U； 由由U0=km0g，得，得 测得测得U=kmg，所以，所以 。 (3)因电源电压不够而输出电压调不到零；因电源电压不够而输出电压调不到零；待待测物体质量超出转换器量程。测物体质量超出转换器量程。图图10-3-10图图10-3-11