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(共44张PPT)
3　利用传感器制作简单
的自动控制装置
实验探究 方案梳理
实验目的
了解门窗报警装置的控制原理,会组装门窗防盗报警器。
实验1 门窗防盗报警装置
实验器材
序号 名称 规格型号 数量
1 干簧管SA 常开型 1
2 继电器 JQX-14FC 5 V 1
3 发光二极管LED 绿色 1
4 电阻R 330 Ω 1
5 蜂鸣器H 有源型 1
6 电源 干电池6V 1
7 小磁体 1
8 开关 1
实验原理
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,干簧管失磁断开,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。实验原理图如图所示。
实验步骤
(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,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。
注意事项
安装前,对实验器材进行测试,确保各元件性能良好后,再进行安装。
实验目的
了解光控开关电路及控制原理,会组装光控开关。
实验2 光控开关
实验器材
序号 名称 规格型号 数量
1 可调电阻R1 最大电阻为51 kΩ 1
2 限流电阻R2 330 Ω 1
3 光敏电阻RG 暗电阻>1 MΩ
亮电阻<3 kΩ 1
4 三极管VT 8 050 1
5 发光二极管LED 红色 1
6 继电器 HRS1H-S 5 V或JQX-14FC 5 V 1
7 小灯泡L 6 V　0.3 A 1
8 二极管D IN4001 1
9 电源 干电池6 V 1
实验原理
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L。实验原理图如图所示。
实验步骤
(1)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L发光。
(4)让光照加强,当光照强到某种程度时,则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
注意事项
(1)安装前,对实验器材进行测试,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。
(3)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。
实验热点 探究突破
典型例题
【例1】 继电器的原理图如图所示,当在接线
柱2、3间接入电源时,电磁铁便将衔
铁P吸离A而与B接触,从而达到控制
电路的目的。接线柱　　　　与接
有电源的负温度系数的热敏电阻串
接,接线柱　　　　与外电路串接,
即可在温度过高时切断外电路,实现对外电路的自动控制。
答案:2、3　1、5
热点1 电磁继电器工作原理与应用
解析:A为常闭触点,正常情况下与衔铁P相吸;B为常开触点,正常情况下与衔铁P分离,因此,1、5与外电路相连。当温度过高时,电磁铁将衔铁P吸下,以切断电路,所以,2、3应与接有电源的热敏电阻相连。
典型例题
【例2】 光敏电阻在自动化装置中有很多应用,街道路灯自动控制就是其应用之一,图示电路为其模拟电路,其中干电池的内阻可忽略不计,A处接电磁继电器,B为三极管(当φe-φb ≥0.2 V时,c、e间的电阻R可忽略不计,当φe-φb<0.2 V时,R可视为无穷大),b点的电势由R1与R2的比值决定,R1、R2中有一个是定值电阻,另一个是光敏电阻,阻值随光照强度增强而减小,C为电磁继电器,D为路灯。为了达到日出路灯熄,日落路灯亮的效果,请回答下列问题:
热点2 光控开关的工作原理与应用
(1)R1是　　　　　　　(选填“光敏电阻”或“定值电阻”)。
(2)请用笔画线代替导线,将实物连接成正确的电路。
答案:(1)光敏电阻
(2)如图所示
解析:(1)由于光敏电阻阻值随着光照强度的增大而减小,为使路灯正常工作,在白天时电磁继电器的触点断开,电磁铁通电,φe-φb≥0.2 V,R1变小或R2变大,而白天时光敏电阻阻值变小,所以R1是光敏电阻。
(2)根据题述分析可知,A处与继电器相连,路灯与火线、零线相连接,开关应接在火线上,画导线时要避免交叉,电路图如答案图所示。
典型例题
【例3】 小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响。图甲中继电器的供电电压U1=3 V,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0为30 Ω。当线圈中的电流大于等于50 mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。
热点3 自动控制电路的设计
(1)由图乙可知,当环境温度为40 ℃时,热敏电阻阻值为　 Ω。当环境温度升高时,热敏电阻阻值将　　　,继电器的磁性将
　　　　(以上两空选填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱　　　　相连,指示灯的接线柱D应与接线柱　　　　相连(以上两空选填“A”或“B”)。
(3)图甲中线圈下端P的磁极是　　　　(选填“N”或“S”)极。
(4)请计算说明,环境温度在什么范围内时,警铃报警。
答案:(1)70　减小　增大
(2)B　A
(3)S
(4)环境温度大于等于80 ℃时,警铃报警。
解析:(1)分析题图乙可知,热敏电阻40 ℃对应的阻值为70 Ω。温度升高时,热敏电阻阻值减小,根据欧姆定律可知,电路中电流增大,电磁铁的磁性增大。
(2)当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响,所以警铃的接线柱C应与接线柱B相连,指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。
(3)分析电流的流向,根据安培定则可得到线圈的下端P的磁极是S极。
(4)当线圈中的电流I=50 mA=0.05 A时,继电器的衔铁将被吸合,警铃报警。控制电路的总电阻为 =60 Ω。热敏电阻为R=R总-R0=60 Ω-30 Ω=30 Ω,由题图乙可知,此时t=80 ℃,即当温度t≥80 ℃时,警铃报警。
规律方法
设计自动控制电路时,一般按照以下思路进行: (1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路。 ①控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成。 ②工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。这两个电路相互独立,又通过电磁继电器相关联,电磁继电器实际上是工作电路的开关。
(2)分析自控电路的合理性。 电路设计完成后,要对它的合理性进行分析,用光照射光敏电阻或对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。
成 果 验 收 站
1.连续阴雨,空气潮湿,能见度低,为保证师生安全,学校科学兴趣小组的同学们设计了如图甲所示的模拟电路,能实现湿度达到一定程度,警示灯发光;湿度越大,警示灯越亮。为了提高警示效果,警示灯还能不断闪烁。(提示:电磁铁线圈电阻忽略不计,警示灯电阻保持不变)
(1)根据设计要求,应选择图乙中的　　　(选填“R1”或“R2”)湿敏电阻。
(2)闭合开关,警示灯发光,同时衔铁被吸下来,此时串联在图甲电路中　　　　(选填“A”或“B”)位置的湿敏电阻被短路,警示灯变得更亮。
(3)已知电源电压为6 V,警示灯的规格是“6 V,3 W”,当空气湿度为80%时,闪烁的过程中,灯较暗时的实际功率是多少
(4)若上述警示灯在空气湿度低于设定值的情况下就发光,那么可以采取什么方法使其恢复正常。(至少给出1种)
答案:(1)R2　(2)B　(3)0.75 W　(4)减小电源电压,减少电磁铁的线圈匝数,在电路中串联一个电阻
解析:(1)(2)由题图乙可知:R1的电阻随湿度的增加而增加,R2的电阻随湿度的增加而减小。由题意可知空气湿度较小时电磁铁不吸合,灯泡较暗;当空气湿度达到一定程度时湿敏电阻的阻值减小,电路的电流增大,电磁铁的磁性增强,电磁铁吸合,湿敏电阻被短路,灯泡变亮,由于电磁铁也被短路无磁性,电磁铁不吸合,灯泡变暗,据此可知警示灯能不断亮暗闪烁,所以应选题图乙中R2的湿敏电阻,且串联在题图甲电路中B位置。
(4)警示灯在空气湿度低于设定值的情况下就发光,说明此时的电流较大,衔铁被吸下;要使其恢复正常,这就需要减小电路中的电流,所以可以通过减小电源电压、在电路中串联一个电阻来减小电路中的电流;由于电磁铁的磁性大小与线圈的匝数、电流的大小有关,所以还可以通过减小线圈的匝数来减小电磁铁的吸合力。
2.电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度,将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在9 V的电源上,电源内阻不计,光敏电阻阻值随光强的变化关系如表所示。
光强IV/cd 1 2 3 4 5
电阻值/Ω 18 9 6 3.6
[“光强”是表示光强弱程度的物理量,符号为IV,单位为坎德拉(cd)]
(1)已知光照强度与光敏电阻阻值成反比,则当光照强度为4 cd时光敏电阻Rx的大小为　　　　 Ω。
(2)其原理是光照增强,光敏电阻Rx阻值变小,施加于玻璃两端的电压降低,玻璃透明度下降,反之则玻璃透明度上升。若电源电压不变,R0是定值电阻,则下列电路图不符合要求的是　　 　。
(2)光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接,由题意可知,光照增强时,光敏电阻Rx阻值减小,电路中的总电阻减小,由闭合电路欧姆定律可知,电路中的电流增大,由U=IR可知,R0两端的电压增大,因串联电路中总电压等于各分电压之和,所以Rx两端的电压减小,反之光照减弱时,光敏电阻Rx阻值增大,R0两端的电压减小,Rx两端的电压增大,则玻璃并联在R0两端时不符合,玻璃并联在Rx两端时符合,选项A符合题意,C不符合题意;若玻璃与电源并联,由于电源内阻不计,光照变化时,玻璃两端的电压不变,选项B、D符合题意。
3.热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度变化的关系如图甲所示。
(1)由图甲可知,在较低温度范围内,相对金属热电阻而言,该热敏电阻对温度变化的响应更　　　(选填“敏感”或“不敏感”)。
(2)某同学利用上述热敏电阻制作了一个简易的温控装置,实验原理如图乙所示。现欲实现衔铁在某温度时(此时热敏电阻的阻值为R0)被吸合,下列操作步骤正确的顺序是　　　　。(填写各步骤前的序号)
a.将热敏电阻接入电路
b.观察到继电器的衔铁被吸合
c.断开开关,将电阻箱从电路中移除
d.合上开关,调节滑动变阻器的阻值
e.断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至R0
(3)若热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。
t/℃ 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Rt/Ω 199.5 145.4 108.1 81.8 62.9 49.1
当通过继电器的电流超过20 mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控。已知继电器的电阻r=20 Ω,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　　　　,滑动变阻器Rx应选用　　　　。(选填选项前的字母)
A.电源E1(3 V,内阻不计) B.电源E2(6 V,内阻不计)
C.滑动变阻器R1(0~200 Ω) D.滑动变阻器R2(0~500 Ω)
答案:(1)敏感　(2)edbca　(3)B　D
解析:(1)题图甲中横轴表示温度,纵轴表示电阻,随着温度的升高,金属热电阻的阻值略微增大,而该热敏电阻的阻值明显减小,所以这种热敏电阻在较低温度范围内,相对金属热电阻而言,该热敏电阻对温度变化的响应更敏感。
(2)要实现衔铁在某温度时(此时热敏电阻的阻值为R0)被吸合,而衔铁被吸合时的电流是一定的,所以关键是找到此时滑动变阻器的阻值。实现方法是:断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至R0,合上开关,调节滑动变阻器的阻值,观察到继电器的衔铁被吸合,则此时滑动变阻器连入电路的阻值就是衔铁在某温度(此时热敏电阻的阻值为R0)被吸合时滑动变阻器应连入电路的阻值,找到之后,再用热敏电阻替换掉电阻箱即可,正确顺序为edbca。

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