利用传感器制作简单的自动控制装置

马顺存　曾心

摘 要：普通高中课程改革背景下，物理教师应多围绕学科核心素养，创造性地开展教学活动，注重科学探究，尤其需要重视物理实验.结合新教材教学背景下的实验课程，根据传感器教学内容，设计了自动控制装置，并详细介绍了该仪器的选材、制作以及操作过程，帮助学生提炼科学问题，提升探究能力，培养实践意识，增强动手操作能力，进而促进学生的发展.

关键词：实验教学;传感器;科学探究;自动控制

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）05-0054-03

作者简介：马顺存（1984-），男，湖南湘潭人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学.

物理教学不能仅以教材上的知识为主要学习内容，这样就会使得学生注重知识的获取而忽视了能力和思维的培养.为了增强学生自主学习的意识，培养学生发现和提出问题的探究能力，物理教学中需要注重物理实验教学.

人教版2019年版普通高中教科书（以下简称新教材）物理选择性必修2第五章传感器章节[1]，介绍了简单传感器的结构、原理以及简单的自动控制装置.同时本章节中还对三极管的结构、功能等进行了简单介绍并利用三极管设计了光控开关电路，本章末以薄膜压力传感器和热敏电阻作为课题研究的案例进一步将知识进行了拓展.该章节与2010年版普通高中教科书（以下简称旧教材）物理选修3-2第六章传感器章节[2]相比，更加重视传感器的应用教学.

2017 年版《普通高中物理课程标准》将“利用传感器制作简单的自动控制装置”设为选修2中的必做实验.但市面上还没有具体的针对该内容通用的中学物理教学仪器.因此，笔者自行设计制作了一套传感器实验仪器，将力、温度、磁、红外、声控、光控、双金属片等集成到一个试教板上.

1 自制控制装置的制作与使用

传感器教学中，新教材介绍了干簧管、光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等不同传感器，但是市面上还没有结合新教材开发的实验仪器，教材中介绍的几个实验都是单独分开来进行的，同时传感器元件体积小，就会存在实验过后出现大量元件丢失的现象，为了解决以上这些不足，笔者将教材中所有传感器统一集成于一块示教板上，统一通过传感器来控制LED灯的亮灭，实验操作方便，现象直观明了.

1.1 制作材料及工具

亚克力板、亚克力胶、喷漆、白板笔、记号笔、勾刀、电钻、电烙铁、鳄鱼夹、导线、接线柱、电阻、发光二极管、三极管、按键开关及传感器元件等.

1.2 制作步骤

1.2.1 示教板的制作

（1）如图1，用勾刀将亚克力板切割成300×400mm长方形;（2）根据电路设计图用白板笔（可擦）在亚克力板上画出电路图，并标记出开关、接线柱等的安装位置;（3）用电钻在接线柱位置钻Φ=4.5mm的孔，在按键开关位置钻Φ=9.5mm的孔;（4）将亚克力板用白色喷漆均匀涂色;（5）待油漆干后，用记号笔在喷好漆的亚克力板上画出电路图;（6）在亚克力板背面（如图2）距底部20mm处，用亚克力胶粘贴一块60×250mm的亚克力板，并粘贴两块竖板及一块横板，起到在底板上安装电池盒以及将亚克力板竖直放置时稳定的支架作用;（7）安装接线柱和按键开关，并按电路图用电烙铁将导线焊接牢固;（8）在背面底板上安装电池盒;（9）接上LED灯，接入相应的传感器设备，接通电源，即可开始实验.

1.2.2 几种控制开关自动控制装置的电路设计及实验操作

（1）声控开关自动控制装置电路设计及实验操作

声控开关自动控制装置是由声光控制模块改装而成的，其声控传感器模块的输入电压范围为3-30V，当无光、声音大于20分贝时有电压输出，输出电压等于输入电压.本实验采用3V纽扣电池作为输入电压，将光敏电阻用电胶布做遮光处理.输出端直接接上发光二极管即可实现声控开关的功能.要将传感器作为控制开关接入示教板，还需用三极管搭建电子开关，将声控模块的电压输出转换为通断输出，电路图如图3所示.在声控传感器模块输出端接一个2.7kΩ定值电阻R1和一个S9014三极管Q1搭建通断控制电路，定值电阻的作用是限制三极管基极电流Ib，防止过流烧毁三极管.当声控传感器输出3V电压时，通过R1流入三极管基极的电流Ib约为（3-0.7）V/2.7kΩ=0.85mA（0.7V为三极管基极—发射极电压降）.根据S9014三极管的数据手册，此时三极管进入饱和工作区，集电极—发射极（CE）间有固定电压降约0.7V.接入示教板时，由于CE间分压仅有0.7V，可以认为处于导通状态.当声控传感器输出0V电压时，流入三极管基极的电流Ib为零.三极管进入截止工作区，CE间流过的电流为零，等效为断开状态.三极管的CE两极作为控制电路的输出端接红黑两接线柱.按照电路图焊接成实物图（如图4）.

实验操作：将红黑鳄鱼夹（三极管的CE极）分别接示教板红黑接线柱，闭合两个开关.拍手，声控开关模块输出电压3V，三極管导通，显示电路部分回路导通，二极管发光.40秒左右二极管自动熄灭.可重复多次实验.实验完毕，断开开关.

（2）温控开关自动控制装置电路设计及实验操作

温控开关自动控制装置采用的是NTC热敏电阻作为元件，其性质是常温时电阻约为11kΩ，当温度大于70℃时，电阻急速减小为1.5kΩ左右.如果将热敏直接接红黑接线柱，与显示电路形成回路，当温度大于70℃时，二极管会发光，但是亮度太低.为使实验现象更加明显，笔者设计了图5所示的实验电路.图6为实物电路图.改进后的实验电路使用NPN型三极管S9014作为电流放大器件，通过NTC阻值的变化控制LED电流产生亮度变化.R1、R2与NTC构成分压器，调节R1的阻值可使得常温状态下三极管基极电压处于阈值电压附近.此时三极管基极电流为0，恰好处于截止状态，LED不发光.当NTC受热阻值减小时，流入三极管基极的电流Ib增大.由于三极管的电流放大作用，集电极—发射极电流（ICE）将急剧增大，理论变化量为β倍（ICE≈βIb，S9014的电流放大倍数β约为300），LED迅速点亮且亮度较接入三极管前明显提高.

实验操作：将红黑鳄鱼夹（三极管的CE极）分别接红黑接线柱，闭合开关，调节可变电阻R1，使得二极管处于刚好熄灭的状态，实测此时R1的阻值为3.3kΩ，由于笔者手边只有6.8kΩ的可变电阻，因此采用R1与R2串联，这里的R1和R2可以用一个0-15kΩ或0-20kΩ的可变电阻代替.将热敏电阻放入热水中，电阻变小，三极管导通，二极管发光.温度降低时，二极管熄灭.可重复多次实验.实验完毕，断开开关.

（3）磁感应开关自动控制装置电路设计及实验操作

磁感应开关自动控制装置是采用霍尔开关作为元件制作而成.霍尔开关棕、蓝两根线需提供5-30V电压，黑、蓝两线为传感器输出端.装置电路图如图7，实物图如图8所示.

实验操作：将红黑鳄鱼夹分别接红黑接线柱，闭合两开关.将磁铁靠近霍尔开关，二极管发光，将磁铁远离霍尔开关，二极管熄灭.可重复多次实验.实验完毕，关闭开关.

（4）红外感应开关自动控制装置电路设计

红外感应开关自动控制装置是由人体红外热释电传感器改装而成，电路图如图9所示，实物电路图如图10所示.其工作电压是5V，本装置采用两节纽扣电池经一个4007二极管降压获得约5V电压给传感器供电.当感应到红外信号时，蓝线输出高电压，使得三极管导通，二极管发光.

实验操作：将红黑鳄鱼夹（三极管的CE极）分别接红黑接线柱，闭合两开关.传感器感应到人体红外信号，三极管导通，二极管发光.用盒子将传感器罩住，二极管熄灭.可重复多次实验.实验完毕，关闭开关.

（5）压力开关自动控制装置电路设计及实验操作

压力开关自动控制装置是由薄膜压力传感器（FSR）设计制作而成.正常无压力情况下，薄膜压力传感器两端的电阻为20kΩ，当用力大于0.2N按压传感器黑色部分时，传感器两端的电阻急剧减小，当力大于2N时，电阻变为10kΩ以下，当力大于10N时，电阻变为5kΩ以下.直接将FSR接入示教板也可控制LED的亮度，但总体亮度较低，且随力的变化LED灯的亮度变化不明显.为使实验现象更加明显，对实验电路进行了改进.改进后的装置设计电路图如图11，实物图如图12.改进后的实验电路使用NPN型三极管S9014作为电流放大器件，通过FSR阻值的变化控制LED电流产生亮度变化.FSR与R1的上臂并联作为可调分压器调节三极管基极电压.调节电位器R1改变基极分压比，可使FSR不受压力作用时三极管恰好处于截止状态，LED不发光.当FSR受压力时，阻值减小，FSR与R1构成的分压器分压比增大，流入三极管基极的电流Ib增大.由于三极管的电流放大效应， LED迅速点亮且亮度较接入三极管前明显提高.

实验操作：将红黑鳄鱼夹（三极管的CE极）分别接红黑接线柱，闭合两开关.调节R1可变电阻，使得二极管刚好处于熄灭的状态，按压薄膜压力传感器黑色部分，可发现当用力按时，二极管发光，力越大，亮度越大.不按压时，二极管熄灭.可重复多次实验.实验完毕，断开开关.

另外，雙金属片、干簧管和光敏电阻可以直接接入示教板红黑接线柱进行实验.

2 自动控制装置的优点

自动控制装置由多个传感器共同组合而成，克服了旧教材中分模块探讨其功能与应用带来的知识点混乱的不足，实现了新教材新课改下要求的知识与实践的整合.有以下优点：

（1）实验仪器美观且大方，排列整齐有序，可以帮助培养学生自己动手的能力，拓展发散思维和创新思维;

（2）实验仪器将所学传感器融为一体，且操作过程简洁明了，不同的传感器对应不同的使用过程，让学生可以亲身感受每种元件的操作与价值;

（3）实验仪器可以重复利用，其使用价值高，元件方便及时更换.

3 结束语

物理教学中，只有让学生亲身体验过学习和探究的具体过程，才能真正做到学生科学素养的提升.传感器作为高中物理实验教学的重要课程，也作为新时代科技发展的重要研究领域，在教学过程中就更需要注重实验的设计.该实验装置将物理教学从纯理论教学转向了实验教学，并通过创新性设计帮助学生，进一步提高了学生自主学习的积极性，从而达到较好的教学效果.

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理（选择性必修第二册）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理（选修3-2）[M].北京：人民教育出版社，2010.

（收稿日期：2020-10-29）