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传感器及其工作原理

作者: 来源:点击数: 发布时间:2012年11月28日
传感器及其工作原理
 
【教学目标】
知识与技能
●知道什么是传感器。
●了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
●会使用霍尔电压公式 。
过程与方法
●通过对实验的观察、思考和探究,让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时,经历科学探究过程,学习科学研究方法,培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。
情感态度与价值观
●培养学生科学探究的能力,体验科学探究的乐趣,体验成功的快乐;
●通过对实验、生活中实例的分析与探究,培养学生发散思维,感受物理与生活、生产的密切联系,对社会发展的促进作用,体会物理学的重要性。
【重点难点】
重点:认识各种常见的传感器;了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
难点:光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
【教学内容】
[导入新课]
看我们实验室的窗户与你们家的窗户也没什么区别吧,但他有一个特殊的功能(课前在实验室门上按装一个门磁,演示:打开窗户后)——报警,看来它能防小偷。那么打开窗户时是如何实现自动报警的?还有:今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的?楼梯上的电灯如何能人来就开,人走就熄的?日光是如何控制路灯的? “非典”时期,机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的?所有这些,都离不开一个核心,那就是本堂课将要学习的传感器。
[新课教学]
一、什么是传感器
演示:如图所示,小盒子的侧面露出一个小灯泡,盒外没有开关,当把磁铁放到盒子上面,灯泡就会发光,把磁铁移开,灯泡熄灭。 
问:盒子里有怎样的装置,才能实现这样的控制?
:盒子里有弹性铁质开关。
师生探究投影 1:展示盒内的电路图,了解元件“干簧管”的结构。
探明原因:电子电路中常用到干黄管,就是玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时,两个由软磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引,电路导通,干簧管起到了开关的作用。
点拨:这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况,感知干簧管周围是否存在着磁场。干黄管是一种能感知磁场的传感器——把磁场转换为电路的通断。刚才打开窗户时干簧管使得报警器接通,从而报警。
问:什么装置的磁场与条形磁铁的磁场相似又可人为控制大小?
生:通电螺线管
投影12):干簧继电器
总结:将干黄管放入一个螺线管中,两者就组合成为干簧继电器。(教参P:78)
问:路灯的控制电路中有能感知什么的传感器?楼梯上的电灯电路中有能感知什么的传感器?
  光、声
总结:现代技术中,我们可以利用一些元件设计电路,它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。它的优点是:把非电学量转换为电学量以后,就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
投影2:一.认识传感器
1.  什么是传感器
传感器是这样一类元件:它能够感受如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。
投影3:出示几种常见的传感器(温度传感器、明火探测器、离子感烟器、气体传感器、红外线传感器),书P:56图61—3各种温度.传感器从上向下依次为:开关型热敏电阻、热电偶、铂热电阻、硅P—N结集成温度传感器,增加学生的感性认识。
为了制作传感器,常常需要一些元器件,下面看几个实例:
二.制作传感器常用的一些元件
1.光敏电阻
分组:学生两人一组,用万用电表的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值,实验分别在暗环境和强光照射下进行;并与普通电阻相比较。
学生总结实验结果:光敏电阻在暗环境下电阻值很大,强光照射下电阻值很小。
投影41):二.制作传感器常用的一些元件
1.光敏电阻
1)特性:光敏电阻对光敏感,电阻随光照强度的增大而减小
问:光敏电阻能将什么物理量转换为什么物理量?
生:光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
投影42):   2)作用:光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
3)材料:一般是半导体材料,如硫化镉
投影43):光敏电阻结构图
介绍:光敏电阻的结构
学生自学;书P58科学漫步,总结出光敏电阻在光照射下电阻变化的原因:有些物质,例如硫化镉,是一种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好。
演示:光电计数器(见课件图片)
原理(投影5):如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是(       )
A.当有光照射 R1时,信号处理系统获得高电压
B.当有光照射R1时,信号处理系统获得低电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就记数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就记数一次
2.金属热电阻
问:金属导体的导电性能与温度有关吗?关系如何?
演示:将一段钨丝(从旧日光灯管中取出)与小灯泡、开关、电源连接成闭合回路,闭合开关,灯泡正常发光,当用打火机给钨丝加热时,看到什么现象?说明什么问题?
生:灯泡变暗,说明钨丝的电阻随温度的升高而增大。
总结:用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。
投影62。金属热电阻
1)材料:金属
2)特性:阻值随温度的升高而增大(R—T图)
3.热敏电阻
分组:学生两人一组,用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次直接测量,第二次用手心捂住热敏电阻(或放在热水中)再测量,记录两次测得的电阻值。
学生总结实验结果:热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,且阻值随温度变化非常明显。
半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。
问:金属热电阻热敏电阻能够将什么物理量转化为什么物理量?
生:热敏电阻或金属热电阻能够将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。
投影73.热敏电阻
(1)      材料:半导体
(2)      特性:(NTC型)热敏电阻的阻值随温度的升高而减小(R—T图)
(PTC型热敏电阻的阻值随温度的升高而增大)
(3)      热敏电阻或金属热电阻能够将温度这个热学量转化为电阻这个电学量
问:热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点?(比较两个R—T图)
讨论得出:热敏电阻灵敏度高,但化学稳定性较差测量范围较小;金属热电阻的化学稳定性较好测量范围较大,但灵敏度较差
演示:简易温度报警(见课件图片)
课后设计:(课后用:电位器、热敏电阻、蜂鸣器、电源、导线、开关 设计一个火警报警电路)
4.电容式位移传感器
学生看教材59:“说一说”栏目中的内容。
投影81):4.电容式位移传感器(及示意图)
问:物体位移变化,电介质在极板间移动,使电容变化,用什么方法检测电容的变化?
讨论得出:给电容器带上一定的电荷,然后用静电计来检测两板间电势差的变化,即可判断电容的变化;  或用数字式电容表测电容;  或将图中电容器与某电感线圈组成电磁振荡回路,从振荡频率的变化反映出电容的变化。
问:电容式位移传感器能把什么物理量转换为什么物理量?
生:电容式位移传感器能把位移这个力学量转换为电容这个电学量。
投影82):电容式位移传感器能把位移这个力学量转换为电容这个电学量
5.霍尔元件
投影91):霍尔元件(图)
介绍:霍尔元件是在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上,制作4个电极E、F、M、N而成(如图所示)。若在E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的匀强磁场B,薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转,使M、N间出现电压U。
探讨:霍尔元件的上的电压U与电流I、磁感应强度B的关系,设霍尔元件载流子的电荷量为q,沿电流方向定向运动的平均速率为v,单位体积内自由移动的载流子数为n,垂直电流方向导体板的横向宽度为a,厚为d

a
 
d
B
I
投影92):(1)电流的微观表达式?

             2)载流子在磁场中受到的洛伦兹力
3)载流子在洛伦兹力作用下侧移,两个侧面出现电势差,载流子受到的电场力
4)当达到稳定状态时,洛伦兹力与电场力平衡
学生推出:  ①, , , ② ,由①②式得
总结:式中的nq与导体的材料有关,对于确定的导体,nq是常数。令 ,则上式可写为 
霍尔电压         
总结:一个确定的霍尔元件的dk、为定值,再保持I不变,则UH的变化就与B成正比。这样,霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量
投影93):5。霍尔元件
(1)      材料:半导体,如砷化铟
(2)      原理图
(3)      霍尔电压      k霍尔系数 与材料有关
(4)      一个确定的霍尔元件的dk、为定值,再保持I不变,则UH的变化就与B成正比因此,霍尔元件也称为磁敏元件。这样,霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量
演示:书P59做一做
(1)       测是否有霍尔电压?
(2)       磁场反向后看到什么现象?
(3)       磁极靠近霍尔元件霍尔电压如何变?
(4)       其他条件不变时霍尔电压跟磁感线与元件工作面的夹角有什么关系?
演示:机器人小车始终走不出桌面,到了桌子边缘会自动拐弯。
小试牛刀:
1.机器人小车为何不会跑出桌面以外?
2.传感器在生产、生活实际中还有哪些应用?
【课堂小结】
投影(10):本节课主要学习了以下几个问题:
1.制作传感器需要的敏感元件光敏电阻、热敏电阻与金属热电阻、霍尔元件等。
2.光敏电阻的阻值随光的强度增大而减小。光敏电阻将光照强弱这个光学量转化为电阻这个电学量
3.热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小。PTC型的热敏电阻阻值会随温度的升高而增大。热敏电阻或金属热电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量
4.霍尔元件的霍尔电压公式为 ,霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量
5.电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容这个电学量
【课后作业】
 课时作业:P:61—63