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第五章 传感器
人教物理选择性必修第二册
第五章 传感器
5.3
利用传感器制作简单的自动控制装置
传感器是构成自动控制系统的必要环节。如果没有传感器对原始信息进行准确、可靠的捕捉和转换，那么一切控制将无法实现。
本节提供了两个利用传感器实现简单自动控制的实验，同学们可以根据兴趣和器材条件从中选择一个。只有自己动手进行组装和调试，才会对传感器的作用有更深切的体会。
▋▏实验1 门窗防盗报警装置
门窗防盗报警装置具有自动提示报警的功能。在睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置。当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。
怎样才能实现上述功能呢
利用干簧管在磁场中的特性是不错的选择。图5.3-1是一个简单的门窗磁控防盗报警装置示意图。门的上沿嵌入一小块永磁体 M，门框内与 M相对的位置嵌入干簧管 SA，并将干簧管接入报警电路。干管可将门与门框的相对位置这一非电学量转换为电路的通断。
实验器材和装置
图5.3-2是可实现上述功能的简易报警电路，采用干管作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在。继电器 (虚线方框部分)作为执行装置。发光二极管LED作为电路正常工作提示。
发光二极管和普通二极管一样具有单向导电性，而且在导电时还能发光，有红、绿、黄等多种颜色 (图5.3-3)。它小巧、省电，因此许多家用电器上都用它作指示灯。R为发光二极管的限流电阻，起保护作用。蜂鸣器 H 作为报警提醒。
实验中具体选取的元件参数可参考表1。
电路工作原理
闭合电路开关 S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体 M 靠近干簧管 SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈 K，使继电器工作。继电器的动触点 c 与常开触点 a 接通，发光二极管 LED 发光，显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干管失磁断开，继电器被断电。继电器的动触点 c 与常闭触点 b 接通，蜂鸣器 H 发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用，继电器则相当于一个自动的双向开关。
实验操作
(1) 连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。
(2) 确定各元件可以正常工作后，按照图5.3-2所示连接电路。
(3) 接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。
光控路灯可以根据光照的变化自动开启或关闭。怎样能够在天色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭 我们可以利用光敏电阻来完成这一任务。下面提供两种模拟的光控开关电路，用发光二极管或小灯泡代表路灯。
▋▏实验2 光控开关
实验器材和装置
在控制电路中，由于光敏电阻的工作电流很微弱，不能直接驱动执行机构工作，因此一般都需要配置一定的放大电路实现控制。晶体三极管是半导体基本元件之一，具有电流放大作用，在控制电路中常用作电子开关。本实验采用三极管配合光敏电阻完成光控开关的任务。三极管由三个电极组成，分别是发射极e、基极b和集电极c，有NPN型和PNP型两种(图5.3-4)。
三极管的一个重要特性是，从基极输人一个较小的电流，就会在集电极获得较大的电流。此外，三极管还具有完成断路和接通的开关作用。
实验电路如图5.3-5所示。光控电路用发光二极管 LED 模仿路灯，RG 为光敏电阻，R2 为发光二极管的限流电阻。可调电阻 R1 与光敏电阻RG 组成串联分压电路，把光敏电阳因光照而发生的电阻变化，转换为电压的变化，加载到三极管 VT 的基极 b 上(图5.3-5甲)。
当基极电压达到一定程度后，三极管被导通，从而使得由电源正极经电阻 R2、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。可调电阻 R1 的作用是调整、设定电路对周边光亮度的反应，在电路中能够控制三极管的基极电流。如果把 R1 阻值调得更大些，就会在天更暗时才点亮路灯。
为了能够驱动更大功率的负载，如采用小灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启、闭另外的供电电路，图5.3-5乙 中 K 为继电器的线圈，S 为它的常开触点。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏三极管，必须给线圈并联一只二极管 D，以提供自感电流释放的通路。
实验中具体选取的元件参数可参考表2。
电路工作原理
当环境光比较强时，光敏电阻 RG 的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡 L 不亮。
当环境光比较弱时，光敏电阻 RG 的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基极电流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡工。
实验操作
(1)按照图5.3-5所示连接电路，检查无误后，接通电源。
(2)让光敏电阻 RG 受到白天较强的自然光照射，调节电阻 R1 使发光二极管 LED 或小灯泡 L 刚好不发光。
(3)遮挡 RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管 LED 或小灯泡工发光。
(4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光一极管 LED 或小灯泡 L 熄灭。
如果实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。
1.某同学设计了一个加速度计，如图5.3-6所示。较重的滑块2可以在光滑的框架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着；R 为滑动变阻器4是滑动片，它与电阻器任一端之间的电阻值都与它到这端的距离成正比。这个装置就是一个加速度传感器。两个电池 E 的电压相同。按图连接电路后，电压表指针的零点位于表盘中央，当 P 端的电势高于 Q 端时，指针向零点右侧偏转。
将框架固定在运动的物体上，当物体具有图示方向的加速度 a 时，电压表的指针将向哪个方向偏转 简述你分析的过程。
解：当滑块具有题图所示方向的加速度 a 时，滑动片处在左半边，滑动变阻器右侧部分的电阻大，故电流流过滑动变阻器时右半部分的电势降落大，则 Q 点电势高于 P 点，指针应向零点左侧偏转.
2. 双金属温度传感器是将两种具有不同热膨胀系数的金属贴合在一起制成的。当它温度升高时，两种金属伸长不一样而发生弯曲变形，使触点接通或断开。日光灯启动器里就有一个双金属温度传感器(图5.3-7)。取一个报废的日光灯启动器，去掉外壳，在充有氖气的玻璃泡内，有一个U形的双金属片，其旁边有一根直立的金属丝，两者构成一对触点。常温下两触点是分离的，温度升高时，双金属片因形变而与金属丝接触。
敲碎氖泡的玻璃，调节两触点之间的距离，使温度升高到 60℃ 时两触点恰好接通。请你利用这个双金属温度传感器，设计一个电热水器自动加热的控制方案。当水温低于 60℃ 时自动通电加热，高于 60℃ 时自动断电。
解：设计电热水器自动加热电路如图所示常温下开关接通后，电热丝正常工作，当温度达到 60℃ 时，双金属温度传感器接通使电热丝停止加热.
3. 工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时，稍有不慎就会把手压在里面，造成工伤事故，工厂中大都是利用光电控制设备来避免事故发生的。如图5.3-8所示为光控继电器的示意图，它由电源、光电二极管(当有光照射时，二极管导通，没有光照时，二极管截止)、放大器、电磁继电器等几部分组成。这样，当工人不慎将手伸入
危险区域时，由于遮住了光线，光控
继电器衔铁立即带动开关，使机床停
止工作，避免事故发生。请简述光控
继电器的原理。
解：当手伸入危险区域时，由于光线被手遮挡，二极管截止，控制电路中没有电流，M失去磁性，不再吸附衔铁，N断开，工作电路断路，机床停止工作，保护工人.
结束
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