第十三章实验十七利用传感器制作简单的自动控制装置

实验十七利用传感器制作简单的自动控制装置类型一动脑求真——明原理角度1光敏电阻传感器【典例1】(2024·广东选择考)某科技小组模仿太阳能发电中的太阳光自动跟踪系统,制作光源跟踪演示装置,实现太阳能电池板方向的调整,使电池板正对光源。图甲是光照方向检测电路。所用器材有:电源E(电动势3V)、电压表(V1)和(V2)(量程均有3V和15V,内阻均可视为无穷大),滑动变阻器R;两个相同的光敏电阻RG1和RG2;开关S;手电筒;导线若干。图乙是实物图。图中电池板上垂直安装有半透明隔板,隔板两侧装有光敏电阻,电池板固定在电动机转轴上。控制单元与检测电路的连接未画出。控制单元对光照方向检测电路无影响。请完成下列实验操作和判断。(1)电路连接。图乙中已正确连接了部分电路,请完成虚线框中滑动变阻器R、电源E、开关S和电压表(V)间的实物图连线。(2)光敏电阻阻值与光照强度关系测试。①将图甲中R的滑片置于________端。用手电筒的光斜照射到RG1和RG2,使RG1表面的光照强度比RG2表面的小。

②闭合S,将R的滑片缓慢滑到某一位置。的示数如图丙所示,读数U1为________V,的示数U2为1.17V。由此可知,表面光照强度较小的光敏电阻的阻值________(选填“较大”或“较小”)。

③断开S。(3)光源跟踪测试。①将手电筒的光从电池板上方斜照射到RG1和RG2。②闭合S。并启动控制单元。控制单元检测并比较两光敏电阻的电压,控制电动机转动。此时两电压表的示数U1<U2,图乙中的电动机带动电池板________(选填“逆时针”或“顺时针”)转动,直至________时停止转动,电池板正对手电筒发出的光。

【解析】(1)电路连线如图(2)①为了保证电路的安全,实验开始前要将R的滑片置于阻值最大处,即置于b端。②电压表U1量程为3V,最小刻度为0.1V,则读数为1.60V;电压表U1比电压表U2的示数大,说明RG1>RG2,由此可知表面光照强度较小的光敏电阻的阻值较大。(3)电压表的示数U1<U2,说明RG1表面的光照强度比RG2表面的大,因此电动机带动电池板逆时针转动,直至U1=U2时停止转动,电池板正对手电筒发出的光。答案:(1)图见解析(2)①b②1.60较大(3)②逆时针U1=U2【典例2】(2024·河北选择考)某种花卉喜光,但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器,以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下:学生电源、多用电表、数字电压表(0~20V)、数字电流表(0~20mA)、滑动变阻器R(最大阻值50Ω,1.5A)、白炽灯、可调电阻R1(0~50kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。(1)判断发光二极管的极性使用多用电表的“×10k”电阻挡测量二极管的电阻。如图1所示,当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时,多用电表指针位于表盘中a位置(见图2);对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图2),由此判断M端为二极管的________(选填“正极”或“负极”)。

(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性①采用图3中的器材进行实验,部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的________、________、________接线柱(以上三空均选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)。

②图4为不同光照强度下得到的光敏电阻的伏安特性曲线,图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知,光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而________(选填“增大”或“减小”)。

(3)组装光强报警器电路并测试其功能,图5为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后,三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后,在测试过程中发现,当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时,发光二极管并不发光,为使报警器正常工作,应________(选填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值,直至发光二极管发光。

【解析】(1)根据电阻表结构,使用电阻表时黑表笔接内部电源正极,故当黑表笔接M端,电阻无穷大,说明二极管反向截止即连接电源负极。(2)①题干要求电压表、电流表读数从零开始,所以滑动变阻器采用分压式接法连接电路,故L1、L2接滑动变阻器A接线柱,L3必须接在金属杆两端接线柱中任意一个,即C或D。②由图像可知,随着光照强度增加,I-U图像斜率增大,所以电阻减小。(3)三极管未导通时,RG与R1串联。随着光强增强,RG电阻减小,此时三极管仍未导通,说明R1分压小,故需要增大R1。答案:(1)负极(2)①AAC或D②减小(3)增大角度2氧气传感器【典例3】(2024·全国甲卷)电阻型氧气传感器的阻值会随所处环境中的氧气含量发生变化。在保持流过传感器的电流(即工作电流)恒定的条件下,通过测量不同氧气含量下传感器两端的电压,建立电压与氧气含量之间的对应关系,这一过程称为定标。一同学用图(a)所示电路对他制作的一个氧气传感器定标。实验器材有:装在气室内的氧气传感器(工作电流1mA)、毫安表(内阻可忽略)、电压表、电源、滑动变阻器、开关、导线若干、5个气瓶(氧气含量分别为1%、5%、10%、15%、20%)。(1)将图(a)中的实验器材间的连线补充完整,使其能对传感器定标;(2)连接好实验器材,把氧气含量为1%的气瓶接到气体入口;(3)把滑动变阻器的滑片滑到___________(选填“a”或“b”)端,闭合开关;

(4)缓慢调整滑动变阻器的滑片位置,使毫安表的示数为1mA,记录电压表的示数U;(5)断开开关,更换气瓶,重复步骤(3)和(4);(6)获得的氧气含量分别为1%、5%、10%和15%的数据已标在图(b)中;氧气含量为20%时电压表的示数如图(c),该示数为________V(结果保留2位小数)。

现测量一瓶待测氧气含量的气体,将气瓶接到气体入口,调整滑动变阻器滑片位置使毫安表的示数为1mA,此时电压表的示数为1.50V,则此瓶气体的氧气含量为___________%(结果保留整数)。

【解析】(1)为了保持流过传感器的电流恒定,电阻型氧气传感器两端的电压调节范围较大,所以滑动变阻器采用分压式接法,由于毫安表内阻可忽略,所以毫安表采用内接法;(3)为了保护电路,闭合开关前,需要电阻型氧气传感器两端的电压为零,故滑动变阻器的滑片滑到a端;(6)由图(c)可知,电压表的分度值为0.1V,需要估读到分度值下一位,其读数为1.40V;当瓶内气体的氧气含量为20%时,电压为1.40V,在图(b)中描出该点,用平滑的曲线将各点连接起来,如图所示可知电压表的示数为1.50V时,此瓶气体的氧气含量为17%。答案:(1)(3)a(6)1.4017类型二动手求证——探真知项目错误操作及原因正确操作拟合曲线将所描的点用直线连接用平滑曲线将所描的点连接起来传感器接线随意接线根据说明书,认真接线电流表内外接没有判断电流表内外接或者判断错误先根据题目情况,认真正确地判断电流表内外接问题滑动变阻器分压限流没有判断滑动变阻器分压限流或者判断错误先根据题目情况,认真正确地判断滑动变阻器分压限流【典例4】(2024·重庆模拟)如图甲所示为苹果自动分拣装置的示意图。该装置的托盘秤压在以O1为转动轴的杠杆上,杠杆左端压在压力传感器R上,R的阻值随压力变化的曲线如图乙所示。当质量等于分拣标准(0.15kg)的苹果经过托盘秤时,杠杆对R的压力为2N,调节可调电阻R0,使它两端电压恰好能使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁,此电压叫作放大电路的激励电压。放大电路中有保持电路,能够确保苹果在衔铁上运动时,电磁铁始终保持苹果在经过托盘秤时状态。(1)当较大的苹果通过托盘秤时,R所受的压力较大,则电阻___________(选填“较大”或“较小”)。

(2)自动分拣装置正常工作时,大于0.15kg的苹果通过______________(选填“通道A”或“通道B”)。

(3)若电源电动势为5V,内阻不计,激励电压为2V:①为使该装置达到上述分拣目的,R0的阻值等于______kΩ(结果保留两位有效数字)。

②某同学想利用电压表测出每个苹果的质量,电压表的示数随苹果质量的增大而增大,则电压表应该并联在______________(选填“R”“R0”或“电源”)两端。

③已知压力传感器受到的压力与苹果的质量成正比。若要将分拣标准提高到0.33kg,仅将R0的阻值调为___________kΩ即可实现(结果保留两位有效数字)。

【解析】(1)由图乙可知当较大苹果通过托盘秤时,R所受的压力较大,电阻较小。(2)大于0.15kg的苹果通过托盘秤时,R0两端的电压达到放大电路的激励电压,使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁,大于0.15kg的苹果进入下面的通道B。(3)①杠杆对R的压力为2N,R的阻值为