利用传感器制作简单的自动控制装置

选择性必修二

第五章传感器

利用传感器制作简单的自动控制装置认识传感器

一、新课标要求

1.了解门窗防盗报警装置的工作原理。了解干簧管和继电器的特点和在装置中的作用。

2.了解光控开关的工作原理。练习利用光控开关制作自动控制设备。

二、科学素养要求

1.物理观念：门窗防盗报警装置，光控开关

2.科学思维：培养归纳总结、分析推理能力。

3.科学探究：通过实验，体验科学探究过程。

4.科学态度与责任：学习科学家的科学精神，实事求是的科学态度，培养探究科学的兴趣。

三、教材研习

实验一门窗防盗报警装置

一、实验目的

1.了解门窗防盗报警装置的工作原理。

2.了解干簧管和继电器的特点和在装置中的作用。

二、实验原理

1.干簧管

(1)特点：感知磁场是否存在的传感器。

(2)作用：将磁场的存在与否转换为电路的通断。

2.继电器

(1)特点：继电器线圈中有电流通过时，开关与触点a接通，无电流时，开关与触点b

接通。

(2)作用：将继电器中电流的有无转换为指示灯和蜂鸣器电路的控制，相当于一个自动

的双向开关。

3.实验电路

4.工作原理

闭合开关S,系统处于防盗状态，当门窗紧闭时，磁体M使干簧管处于导通状态，继

电器使开关c与触点a接通，二极管LED发光。当门窗开后时，磁体离开十簧管，十簧管

失磁断开，继电器被断电，使开关转换为c、b接通，蜂鸣器H发声报警。

三、实验器材

干簧管SA、继电器、发光二极管LED、电阻及(33。。)、蜂鸣器H、电源、小磁体、开

关等。

四、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，按照实验电路图连接电路。

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。

实验二光控开关

一、实验目的

1.了解光控开关的工作原理。

2.练习利用光控开关制作自动控制设备。

二、实验原理

1.晶体三极管

⑴两种类型

NPN型三极管PNP型三极管

(2)三个电极

①发射极e,②基极b,③集电极c。

(3)重要特性

①从基极输入一个较小的电流，就会在集电极获得较大的电流，这就是三极管的电流放

大作用。

②在控制电路中具有完成断路和接通的开关作用。

2.光控开关

(I)电路图

+V,

LED.多

—^VT

e

----------）0V

（2）工作原理

当光照较强时，RG较小,加在基极上电压较小，三极管不导通，LED不亮；当光线较

弱时，氏阻值增大，加在基极上电压增大，当达到一定程度后，三极管被导通，发光二极

管LED开始发光。

3.光控开关控制电路

（1）电路图

Orov

（2）工作原理

当环境光比较强时，光敏电阻心的阻值很小，三极管不导通，继电器所在的回路相当

于断路；当环境光线比较暗时，光敏电阻也阻值较大，三极管导通，集电极电流较大，驱

动继电器吸合开关S,点亮灯泡L。（注：与继电器并联的二极管D,提供自感电流释放通路，

以保护三极管不被烧坏。）

三、实验器材

可调电阻Ri（最大电忸为51kQ）、限流电阻/?2（330C）、光敏电阻RG、三极管VT、发光

二极管LED、继电器、小灯泡L（6V、0.3A）.二极管D、电源等。

四、实验步骤

1.按照实验电路图连接电路，检查无误后，接通屯源。

2.让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻体使发光一极管LED或小灯

泡L刚好不发光。

3.遮挡及；，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，当光照增强到某种程度时，发光二极管LED或小灯泡L熄灭。

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，否则将烧坏门电路集成块。

3.光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把Q的阻值调大些。

四、题型研习

题型•报警系统的电路问题

［例题1J把蜂鸣器、光敏电阻、十簧管继电器、开关、电源按如图所示电路连接，制

成光电报警装置。当有光照射报警装置且光照较强时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很

弱时，蜂鸣器不发声。①光敏电阻：受光照射后，阻值会变小。②干簧管继电器：由干簧管

和绕在干簧管外的线圈组成，当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内

的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态。当线圈中没

有电流或者电流很微弱时，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态。请将下面的电路连接完整。

干警管继电器

光敏电网

［解析］如图所示，当有光照且光照较强时，光敏电阻的阻值变小，使得干黄管继电器

线圄中有较大的电流，从而产生磁场，导致两个铁质簧片闭合，最终使得蜂鸣器发声。

干簧管继电器

I

［答案］如解析图所示

［针对训练］

传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到

的物理量（如温度、光、声等）转换成便于测量的最（通常是电学量），例如热敏传感器，主要

是应用了半导体材料制成的热敏电阻。某热敏电阻所任值随温度变化的图像如图甲所示，

图乙是由该热敏电阻刈作为传感器制作的简单自动报警器线路图。问：

0t/V

（1）为了使温度过高时报警器铃响，C应接在（填力”或“”）处；

（2）若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片尸向移动（填“左”

或“右”）;

（3）如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能

使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常

工作的原因可能是：____________________________________________________________

____________________________________________________________________________O

解析：（1）由题图甲可知，热敏电阻在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁

铁磁性增强，把右侧衔■铁吸引过来，与。接触，故C♦应接在。处。

(2)为使达到启动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，故滑动变阻器的滑片应左

移。

(3)在最低报警温度时不能报警，说明此时电路产生的电流不能让竖直片与。接触，这

可能由多种原因造成，如：①电源提供的电流太小，导致磁铁的磁性太弱；②弹簧的劲度系

数太大，电磁铁的吸引力小于弹簧的弹力等。

答案：⑴〃(2)左

(3)电源提供的电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大

题型二光控开关的应用

［例题2］如图甲所示是一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，电流

表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的

电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据内图所给器材设计一个路灯自动光控电路。要求

有光照时路灯不亮，无光照时路灯工作。

［解析］由流过光敏电阻的电流和光强的关系曲线可以看出,当入射光增强时，流过光

敏电阻的电流增大。根据题意设计一个路灯自动控制电路如图所示。

电流信号

放大器

控制过程：当有光照射时，流过光敏电阻的电流增大，并经过放大器输出一个较大的电

流，驱动电磁继电器吸合：使两个常闭触点断开，当无光照时，电流减小，放大器榆出电流

也减小，电磁继电器释放潜铁，使两个触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作。

［答案］见解析

［针对训练］

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变化而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，

光越强，照度越大，照度单位为IX）。某光敏电阻心在不同照度下的阻值如下表所示。

照度/lx1.01.2

电阻/kQ754028232018

（1）根据表中的数据，请在给定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）如图所示，当1、2两端所加电压上升至2V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I、2两端提供电压,

要求当天色渐暗照度降低至1.Olx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RG（符号上一，阻值见表）；

直流电源£（电动势3V,内阻不计）；

定值电阻Ri=10kQ,&=20kC,&=40kC（限选其中之一并在图中标出）;

开关S及导线若干。

解析：（1）阻值随照度变化曲线如图甲所示。

照明系统

II

控制开关

乙

（2）原理：利用串联电路的分压规律设计电路。当照度降低至1.Olx时，光敏电阻火G

=20kQ,由题中信息可知52=2V,E=3V,CZ12=£-C/,2代入数据解得R=1（）kC,所

RGR

以定值电阻应选R。电路原理图如图乙所示。

答案：（1）见解析图光敏电阻的阻值随光的照度的增大而非线性减小（2）见解析

【达标i川练】

1.如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时，红外光敏

电阻必受到红外线照射，电阻减小；门关闭时会遮蔽红外线源（红外线源没有画出）。经实际

试验，可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及治两端电压〃2

与门关闭时相比（）

A.红灯亮，S?2变大B.绿灯电，S?2变大

C.绿灯亮，以2变小D.红灯亮，U也变小

【答案】D

【解析】当门打开时，足受红外线照射，电阻减小，则总电阻减小，总电流/增大，&

两潴电压UA2=E-/（R+r）减小，&中电流几="也减小，所以心中电流加=/一/底增大，

电磁继电器产生的磁场增强，把衔铁吸下，红灯亮，选项D正确。

2.设计一个自动防盗报警电路，要求：晚间房门被打开，细导线反被扯断，电铃发

声自动报瞥。把如图所示的电路元件连成电路。

房门

房

间

解析：印断开时，电铃发声，应使包给与导线£尸并联后，再与电阻串联，如图所示。

房门

答案：见解析

3.目前有些居民区楼道灯的控制使用的是•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），K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1min后断开，灯泡熄灭。根

据上述信息和原理图，我们可推断：按钮式开关K按下前，发光二极管是（填“发

光的”或“熄灭的”）;将按钮式开关K按下再释放后，灯泡L发光持续时间约min,

这一过程中发光二极管是（填“发光的”或“熄灭的”）。限流电阻〃的阻值和灯丝

电阻HL相比，应满足RR.的条件。

D

解析：按钮式开关K按下前，发光二极管、限流也阻与灯泡串联，有电流通过发光二

极管，因此发光二极管处于发光状态。当将按钮式开关K按下再释放后，由于接通包路瞬

间延时开关触发，相当于S闭合，二极管被短路，所以处于熄灭状态。由于延时开关S约1

min后断开，灯泡熄灭，则知灯泡L发光持续时间约1min。由于火为限流电阻，且二极管

只要有很小的也流通过就能发光，若要保证延时开关断开时，二极管发光，灯泡L不发光,

则应满足R》RL。

答案：发光的1熄火的》

4.某研究学习小组设计的模拟街道路灯自动控制系统的电路图如图所示，光控开关可

采用光敏电阻来控制，光敏电阻的阻值随着光照强度增强而减小，利用直流电源为电磁铁供

电，利用照明电源为电灯供电。为达到天亮灯熄、天黑灯亮的效果，电灯应接在（选

填"力、B”或"B、C”）之间，请用笔画线代替导线，将电路补充完整。

解析：该模拟业路的工作原理是：由光敏也阻感知光照强度变化，调节电磁铁线图中电

流的大小，即可调节电磁帙磁性的强弱，吸下或者释放衔铁，从而控制灯的亮灭，即达到天

亮灯熄、天黑灯亮的效果。因为天亮时光照强度大，光歙电阻阻值较小，电磁铁线圈中电流

较大，磁性较强，可将衔铁吸下；又因为天亮时需要使灯熄灭，所以灯应接在力、8之间。

电路连线时直接将。、石丙端与光敏电阻、滑动变阻器、开关以及电源串联即可。电路如图

所示：

答案：A、B见解析图

5.（2022福建龙岩三模）为了节能环保，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R随光的照度/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IX）。

（1）某光敏电阻在不同照度下的阻值R如下表所示，根据表中的数据，请在图甲的坐标系

中描绘雷阻值随照度变化的曲线（），并判断光敏电阻的阻值R与照度/是否成反

比关系。答：（填“是”或“否”）。

照度〃1X

阻值R/kQ

（2）图乙为街道路灯自现控制电路，利用直流电源E为电磁铁供电，利用照明电源为路灯

供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在（填“AB”或“CQ”）

之间。

(3)已知线圈的电阻为140。，直流电源E的电动势E=36V,内阻忽略不计。当线圈中

的电流大于10mA时，继电器的衔铁将被吸合，滑动变阻器*的阻值应调为Q时,

才能使天色渐暗照度低于1.Olx时点亮路灯。

(4)使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，为了使路灯能按设计要求点亮

和熄灭，变阻器火'的阻值应适当调_______些(选填“大”或“小”)。

=

if_=

=_

!!_=

【答案】①.=

!!-=

!!_=

②.否③.48®.1460⑤.小

【解析】

⑵若光敏电阻的阻值/?与照度/成反比关系，则有/?/为定值，由图像中点的数据可得

5.8x0.2<3.7x0.4<2.7x0.6<2.3x0.8<2.0xl.0<1.8x1.2

可知光敏电阻的阻值R与照度/不是反比关系:

(2)[3]由于天亮时照度较大，光敏电阻的阻值较小，电路中的电流较大，衔铁被吸下，AB

间断开，CO间接通，故灯泡应接在48间;

(3)⑷由题意可知，当照度降到l.Olx时，电路电流降低到10mA,此时电路中的总电阻

为

p36

=-=------=3600Q

I10x10-3

此时光敏电阻的阻值为R=2000Q,则滑动变阻器*的阻值应调为

R'=RLR_%=3600。-2000Q-1400=1460Q

（4）⑸使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，说明在天色更亮时电路电流

就降到了10mA,为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，应使天色更亮时电路电流大于

10mA,应使电路的总电阻适当减小，故应将变阻器的阻值应适当调小吗。

6.（2023重庆涪陵重点高中质检）如图所示，图