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第5章 传感器
第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置
本节课程主要学习传感器在实际生活中的应用，是在前两节课程知识的基础上将传感器从理论应用到实际，一方面学生需要体会传感器在不同电路中的功能，另一方面要求学生能够分析含有传感器的不同电路，并进行必要的定量计算，体会非电学量转换成电学量的好处。
【物理观念】了解门窗防盗装置、光控电路的实验电路图及工作原理。
- 【科学思维】学会分析含有传感器的不同电路，并进行定量的计算，用科学的思维方式，来解决实际问题。
【科学探究】通过对门窗防盗装置、光控电路的实验操作，提高实际动手能力的同时学会自己分析问题、解决问题，培养探究科学问题的兴趣。
【科学态度与责任】引领学生验探索现代科技产物的热情，敢于尝试，乐于思考的科学态度，培养团队精神。
【教学重点】了解门窗防盗装置、光控电路的实验电路图及工作原理，并知道电磁继电器、三极管的基本功能。
【教学难点】通过学习门窗防盗装置、光控电路的实验过程及原理能够制作简单的自动控制装置，并可以对相关题目进行定性分析与相应的定量计算。
生活中的传感器
磁光效应传感器 光感传感器
仿生传感器 水质PH传感器 紫外线传感器
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、可靠地捕捉和转换，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。
探究点一、实验1 门窗防盗报警装置
下面我们来看几个生活中的实例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。如图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。干簧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。
门窗防盗报警装置
实验目的：了解门窗报警装置的原理
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。
电磁继电器
实验器材
电源、导线、开关、干簧管、继电器、蜂鸣器、发光二极管、电阻、小磁体。
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,将磁体先后靠近和离开干簧管,分别观察实验现象。
门窗防盗报警装置电路图 发光二极管
表1 基本元件及参数
探究点二、实验2 光控开关
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。
实验目的：了解光控开关的原理。
实验原理：当环境的光比较强时,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。当环境的光比较弱时,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。
三极管电路符号及实物图
光控开关电路
实验器材
可调电阻、限流电阻、光敏电阻、暗电阻、亮电阻、三极管、发光二极管、继电器、小灯泡、二极管、电源。
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。
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。
表2 基本元件及参数
课堂重点知识小结
研究传感器应用注意事项
对于有关传感器应用的实验电路问题，解答时应先弄清楚电路中所用传感器的类型及其工作原理，然后根据电路特点进行分析．
随堂练习
例1、(多选)下如图所示为一个逻辑电平检测电路，A与被测点相接，则( )
A．A为低电势，LED发光
B．A为高电势，LED发光
C．A为低电势，LED不发光
D．A为高电势，LED不发光
【答案】：BC
【解析】：A为低电势时，Y为高电平，LED的电压小，不发光；A为高电势时，Y为低电势，LED的电压大，发光，故B、C正确．
- 例2、（单选）如图所示为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是( )
【答案】：D
【解析】：当温度低于78 ℃时，线圈中没有电流，此时灯L1亮，但不报警，当温度升高到78 ℃时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮且报警，温度升高至74 ℃时，线圈中没有电流，只是灯L1亮，不会报警．
例3、（单选）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R3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R2两端电压U2与门关闭时相比( )
A.红灯亮,U2变大
B.绿灯亮,U2变大
C.绿灯亮,U2变小
D.红灯亮,U2变小
【答案】：D
【解析】：当门打开时,R3受红外线照射,电阻减小,则总电阻减小,总电流I增大,R2两端电压U2=E-I(R1+r)减小,R2中电流I2=减小,所以R3中电流I3=I-I2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。
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