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1、高中物理实验专辑利用传感器制作简单的自动控制装置01020304 实验仪器及步骤 数据分析及处理 误差分析及讨论 实验目的及原理05 实验的典型例题目录C O N T E N T SPART 01实验目的及原理实验目的实验目的知道传感器是构成知道传感器是构成自动控制系统自动控制系统的必要环节。的必要环节。知道知道干簧管干簧管的基本工作原理。的基本工作原理。能组装、测试自动控制装置能组装、测试自动控制装置-门窗防盗报警装置门窗防盗报警装置。知道知道二极管、三极管二极管、三极管的基本工作原理。的基本工作原理。能组装、测试自动控制装置能组装、测试自动控制装置-光控开关光控开关。通过组装、测试自动控制
2、装置，体验传感器的作用。通过组装、测试自动控制装置，体验传感器的作用。实验原理实验原理传感器传感器是构成是构成自动控制系统自动控制系统的必要环节。如果没有传感器对原的必要环节。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。现。传感器能够将感受到的传感器能够将感受到的物理量物理量(力、热、光、声等力、热、光、声等)转换成转换成便便于测量的量于测量的量(一般是电学量一般是电学量)。通过测量电学量，配合控制电。通过测量电学量，配合控制电路执行操作。路执行操作。门窗防盗报警装置具有自动提示报警的功能。在睡觉前连接好门窗
3、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。灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。实验原理实验原理实验一：门窗防盗报警装置如图所示，门的上沿嵌入一小块永磁体如图所示，门的上沿嵌入一小块永磁体M M，门框内与，门框内与M M相对的位置嵌入干簧管相对的位置嵌入干簧管SASA，并将干簧管接入报警电路。干簧管（一种并将干簧管接入报警电路。干簧管（一种可以感知磁体磁场是否存在传感器）可将可以感知磁体磁场是否存在传感器）可将门与
4、门框的相对位置这一非电学量转换为门与门框的相对位置这一非电学量转换为电路的通断。电路的通断。报警电路的一种设计如图所示。采用干簧管报警电路的一种设计如图所示。采用干簧管作为传感器，继电器（虚线方框部分）作为作为传感器，继电器（虚线方框部分）作为执行装置。发光二极管执行装置。发光二极管LEDLED作为电路正常工作为电路正常工作提示。作提示。R R为发光二极管的限流电阻，起保为发光二极管的限流电阻，起保护作用。蜂鸣器护作用。蜂鸣器H H作为报警提醒。实验中具作为报警提醒。实验中具体选取的元件参数可参考表。体选取的元件参数可参考表。实验原理实验原理实验一：门窗防盗报警装置实验原理实验原理实验一：门窗
5、防盗报警装置电路工作原理：电路工作原理：闭合电路开关闭合电路开关S S，系统处于防盗状态。，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体当门窗紧闭时，磁体M M靠近干簧管靠近干簧管SASA，干簧，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K K，使继电器工作。继电器的动触点使继电器工作。继电器的动触点c c与常开触点与常开触点a a接通，发光二极管接通，发光二极管LEDLED发光，显示电路处于正发光，显示电路处于正常工作状态。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。继电器的动触点断电
6、。继电器的动触点c c与常闭触点与常闭触点b b接通，蜂鸣器接通，蜂鸣器H H发声报警。干发声报警。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。动的双向开关。实验原理实验原理实验一：门窗防盗报警装置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，而在天亮时自动熄灭？我色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天亮时自动熄灭？我们可以利用光敏电阻来完成这一任务。们可以利用光敏电阻来完成这一任务。实验原理实验原理实验二：光控开
7、关在控制电路中，由于光敏电阻的工作电流很微弱，不能直接在控制电路中，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。现控制。实验原理实验原理实验二：光控开关晶体三极管是半导体基本元件之一，具有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。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，分别是发关的任务。三极管由三个电极组成，分别是发射极射极e e，基极，基极b
8、b和集电极和集电极c c，NPNNPN型和型和PNPPNP型两种型两种。三极管的一个重要特性是，从基极输入一个。三极管的一个重要特性是，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。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。此外，三极管还具有完成断路和接通的开关作用。实验原理实验原理实验二：光控开关实验电路如图所示。实验电路如图所示。光控电路用发光二极管光控电路用发光二极管LEDLED模仿路灯，模仿路灯，R RG G为光为光敏电阻，敏电阻，R R2 2为发光二极管的限流电阻。可调电为发光二极管的限流电阻。可调电阻阻R R1 1与光敏电阻与光敏电
9、阻R RG G组成串联分压电路，把光组成串联分压电路，把光敏电阻因光照而发生的电阻变化，转换为电压的敏电阻因光照而发生的电阻变化，转换为电压的变化，加载到三极管变化，加载到三极管VTVT的基极的基极b b上。当基极电压上。当基极电压达到一定程度后，三极管被导通，从而使得由电达到一定程度后，三极管被导通，从而使得由电源正极经电阻源正极经电阻R R2 2、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负、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。可调电阻极的回路被导通。可调电阻R R1 1的作用是调整设定电路对周边光亮度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
10、电流。如果把的反应，在电路中能够控制三极管的基极电流。如果把R R1 1阻值调得阻值调得更大些，就会在天更暗时才点亮路灯。更大些，就会在天更暗时才点亮路灯。实验原理实验原理实验二：光控开关实验电路如图所示。实验电路如图所示。为了能够驱动更大功率的负载，如采用小灯泡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、闭另外的供电模仿路灯，就要使用继电器来启、闭另外的供电电路，如图所示中电路，如图所示中K K为继电器的线圈，为继电器的线圈，S S为它的常为它的常开触点。为了防止继电器释放衔铁时线圈中的自开触点。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
11、只二极感电动势损坏三极管，必须给线圈并联一只二极管管D 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，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。参考表。实验原理实验原理实验二：光控开关实验原理实验原理实验二：光控开关电路工作原理电路工作原理当环境光比较强时当环境光比较强时,光敏电阳光敏电阳R RG G的阻值很小，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，小灯泡常开状态，小灯泡L L不亮。不亮。当环境光比较弱时，光敏电阻
12、当环境光比较弱时，光敏电阻R RG G的阻值变大，的阻值变大，三极管导通，且获得足够大的基极电流，从而产三极管导通，且获得足够大的基极电流，从而产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合，点亮小灯泡电器吸合，点亮小灯泡L L。PART 02实验仪器及步骤实验仪器实验仪器干簧管干簧管SA(SA(常开型常开型)、继电器、继电器(JQX-14FC5V)(JQX-14FC5V)、发光二极管、发光二极管LED(LED(绿绿色色)、电阻、电阻R(330)R(330)、蜂鸣器、蜂鸣器H(H(有源型有源型)、电源、电源(干电池干电池6V)6V)、小磁、小磁体
13、、开关。体、开关。实验一：门窗防盗报警装置可调电阻可调电阻R(R(最大电阻为最大电阻为51k2)51k2)、限流电阻、限流电阻R2(330)R2(330)光敏电阻光敏电阻RG(RG(暗暗电阻电阻1M,1M,亮电阻亮电阻3k)3k)、三极管、三极管VT(8050)VT(8050)、发光二极管、发光二极管LEDLED(红色红色)、继电器、继电器(HRS1H-S5V(HRS1H-S5V或或JQX-14FC5V)JQX-14FC5V)、小灯泡、小灯泡L(6V03A)L(6V03A)二二极管极管D(IN4001)D(IN4001)、电源、电源(干电池干电池6V)6V)。实验二：光控开关实验步骤实验步骤1
14、.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。直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。3.3.接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。分别观察实验现象。实验一：门窗防盗报警装置2.2.确定各元件可以正常工作后，按照图确定各元件可以正常工作后，按照图5.3-25.3-2所示连接电路。所示连接电路。实验步骤实验步骤1.1.按照图按照图5.3-55.3-5所示连接电路，检查无误后，所示连接电路，检查无误后，接通电源。接通电源。2.2.让光敏电阻让光
15、敏电阻R RG G受到白天较强的自然光照射，受到白天较强的自然光照射，调节电阻调节电阻R R1 1使发光二极管使发光二极管LEDLED或小灯泡或小灯泡L L刚好不刚好不发光。发光。实验二：光控开关3.3.遮挡遮挡R RG G，当光照减弱到某种程度时，就会看，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管到发光二极管LEDLED或小灯泡或小灯泡L L发光。发光。4.4.让光照加强，当光照强到某种程度时，则发让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管光二极管LEDLED或小灯泡或小灯泡L L熄灭。熄灭。说明：说明：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。如果实验现象不明
16、显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。注意事项注意事项1.1.连接电路时，注意各电子元件的正负极不要接错。连接电路时，注意各电子元件的正负极不要接错。2.2.注意区分三极管的发射极注意区分三极管的发射极e e、基极、基极b b、集电极、集电极c c，反接会击穿三极，反接会击穿三极管。管。3.3.可调电阻在使用时，三个引脚相当于滑动变阻器的三个接线柱，可调电阻在使用时，三个引脚相当于滑动变阻器的三个接线柱，注意小旋钮的旋转方向与电阻大小的关系。注意小旋钮的旋转方向与电阻大小的关系。4.4.接通电路前一定要检查连接是否无误。接通电路前一定要检查连接是否无误。PART 03数据分析及处
17、理数据处理及分析数据处理及分析实验一：门窗防盗报警装置实验二：光控开关磁体靠近干簧管时，磁体靠近干簧管时，_;磁体离开干簧管时，磁体离开干簧管时，_._.实验结论：实验结论：_._.光比较强时，继电器处于常开状态，小灯泡L不亮;反之，继电器处于闭合状态，小灯泡L亮蜂鸣器不响，指示灯亮蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭PART 04误差分析及讨论问题讨论及误差分析问题讨论及误差分析问题：根据光控开关工作原理,请查阅资料，粗略总结光控开关的优缺点。光控开关优点是精度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强。光控开关广泛使用在速度检测、孔洞识别、自动门传感、冲床和剪切机安全防护等诸多领域。光控开关的缺点:因为光控
18、开关是通过光信号来检测的，所以在灰尘较多或水、油、化学品直接飞溅的场合,有强光干扰的等环境不建议使用。PART 05 实验的典型例题【例【例1 1】如图是街道路灯自动控制设计电路图，利用照明电源为路灯供电，】如图是街道路灯自动控制设计电路图，利用照明电源为路灯供电，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减小.(1)(1)光敏电阻能够将光敏电阻能够将_(_(填字母填字母)A.A.光信号转化为电信号光信号转化为电信号B.B.电信号转化为光信号电信号转化为光信号(2)(2)为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，电灯应接在电灯应接在_(_(选填选填“AB”“AB”或或“BC”)“BC”)之间之间.实验的典型例题实验的典型例题AABAB感谢观看