61传感器及其工作原理doc.docx

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第六章传感器

全章概述

在日常生活中我们可能有这样的经历：

当走近自动门时，门会自动打开；电梯关门，当两门靠拢到接触人体时，门又会重新自动打开…….这是由于传感器在起作用，传感器是自动化控制装置中必不可少的器件，在信息技术高速发展的今天，传感器发挥着越来越重要的作用。

本章知识与我们的生活息息相关，在学习过程中，记要熟记各种敏感元件的特性，又要结合实例，认真体会传感器在实际中的应用，努力培养自己理论联系实际的能力和动手能力；同时应注意观察身边的与传感器有关的例子，并通过查资料或上网了解他们的工作原理，培养自己的观察能力和自学能力。

新课标要求

1．内容标准

（1）知道非电学量转换成电学量的技术意义。

（2）通过实验，知道常见传感器的工作原理。

例1通过实验认识温度传感器将温度信号转变为电信号的作用。

（3）列举传感器在生活和生产中的应用。

例2了解光敏传感器及其在日常生活中的应用。

2．活动建议

（1）调查日常生活中传感器的应用，对其中一种的工作原理、技术意义、经济效益进行分析。

（2）利用传感器制作简单的自动控制装置。

新课程学习

6．1传感器及其工作原理

★新课标要求

（一）知识与技能

1．知道什么是传感器。

2．了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。

3．会使用霍尔电压公式

。

（二）过程与方法

通过实验，知道常见传感器的工作原理。

（三）情感、态度与价值观

通过已有知识在传感器中的应用激发科学探究的兴趣。

★教学重点

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。

★教学难点

光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。

★教学方法

实验法、观察法、归纳法。

★教学工具

磁铁、干簧管、各种常见传感器、光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件、多用电表、热水、冷水、台灯、投影仪等

★教学过程

（一）引入新课

师：

引导学生看教材55页“勇气号”火星探测器的彩色照片；列举生活中的一些自动控制实例，如遥控器控制电视开关、日光控制路灯的开关、声音强弱控制走廊照明灯开关等，激发学生学习兴趣，引出课题。

生：

列举自己知道的自动控制的其他实例。

如当走近自动门时，门会自动打开；电梯关门，当两门靠拢到接触人体时，门又会重新自动打开等等。

［板书课题］传感器及其工作原理

（二）进行新课

1、什么是传感器

师：

演示实验：

生：

观察实验现象。

激发学习兴趣。

师：

揭示实验“奥秘”：

盒子里用到了一种称为“干簧管”的元件。

介绍干簧管的构造和工作原理，干簧管是一种能够感知磁场的传感器。

师：

引导学生阅读教材2、3段，思考问题：

（1）什么是传感器？

（2）传感器的作用是什么？

生：

阅读教材，思考并回答问题。

（1）传感器是指这样一类元件：

它能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。

（2）传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。

师：

出示几种常见的传感器，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：

2．光敏电阻

师：

介绍光敏电阻的外形和构造。

如图6.1-4。

师：

实验：

生：

做实验，观察实验现象。

现象：

光敏电阻在被光照射时电阻发生明显变化。

普通电阻则不会发生变化。

师：

引导学生阅读教材57页的内容，思考问题：

（1）光敏电阻的电阻率与什么有关？

（2）光敏电阻受到光照时会发生什么变化？

怎样解释？

（3）光敏电阻能够将什么量转化为什么量？

生：

阅读教材，思考并回答问题。

（1）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。

（2）光敏电阻受到光照时电阻会变小。

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；随着光照增强，载流子增多，导电性能变好。

（3）光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量。

3．热敏电阻和金属热电阻

师：

引导学生阅读教材58页有关内容，思考问题：

（1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系是否相同？

（2）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？

（3）热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量？

生：

阅读教材，思考并回答问题。

（1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系不相同。

金属导体的导电性能随温度升高而降低；半导体材料的导电性能随温度升高而变好。

（2）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，但灵敏度交差。

（3）热敏电阻或金属热电阻能够将热学量转化为电阻这个电学量。

师：

实验：

生：

做实验，观察实验现象。

现象：

热敏电阻随着温度的升高电阻发生明显变化。

温度越高，电阻值越小。

师：

引导学生看教材59页“说一说”栏目中的内容。

生：

对这个问题产生浓厚的兴趣，讨论热烈。

提示：

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。

师：

总结学生的回答，指出：

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。

4．霍尔元件

师：

引导学生阅读教材关于霍尔元件的内容。

推导霍尔电压的公式。

生：

阅读教材并推导霍尔电压的公式。

师：

巡回指导，了解情况。

生：

推导过程：

设载流子的电荷量为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，则电流的微观表达式为

①

载流子在磁场中受到的洛伦兹力

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为

当达到稳定状态时，洛伦兹力与电场力平衡，即

②

由①②式得

③

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

④

师：

总结点评学生的推导过程，指出：

一个确定的霍尔元件的d、k、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。

（三）课堂总结、点评

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。

有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。

（四）实例探究

☆光敏电阻及其应用

【例1】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

解析：

1．光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量；

2．光敏电阻的电阻随光照的增强而减小．

3．光电计数器工作原理

当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压降低，信号处理系统得到低电压，计数器每由高电压转到低电压，就计一个数，从而达到自动计数目的．

答案：

AC

点评：

光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强．

☆热敏电阻及其应用

【例2】有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是（）

A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻

B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻

C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻

D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻

解析：

热敏电阻的阻值随温度变化而变化，定值电阻和光敏电阻不随温度变化；光敏电阻的阻值随光照变化而变化，定值电阻和热敏电阻不随之变化．

☆霍尔元件及其应用

【例3】如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？

电势差是多少？

（此题描述的是著名的霍尔效应现象）

分析：

当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不断向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即qE＝qvB时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压．

解：

因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U，即

又因为导体中的电流

故

点评：

（1）判断电势高低时注意载流子是正电荷还是负电荷．

（2）由以上计算得上、下两表面间的电压稳定时

，其中n为单位体积内的自由电荷数，e为电子电荷量，对固定的材料而言为定值，若令

，则

，此即课本给出的公式。

★课余作业

1、课下阅读“科学漫步”了解有关半导体的导电机理。

2、思考并回答“问题与练习”第1、2题。

★教学体会

思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。

学生素质的培养就成了镜中花，水中月。

★课本“问题与练习”解答

1．甲图中在线圈4上串联电源和电流表．乙图中在线圈3上串联电源和电流表．甲中当待测物体位移变化时，2、3间的空气间隙变化，线圈4的电感值发生变化。

这一变化量通过转换电路测量电路输出电流，就反映出被测物体位移的变化量．