传感器及其工作原理
第六章传感器
6.1传感器及其工作原理
江苏省南菁高级中学 卞望来
【教学目标】
1．知识与技能：
（1）了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的物理意义；
（2）知道传感器中常见的四种敏感元件光敏电阻、热敏电阻、电容式位移传感器和霍尔元件及其它们的工作原理。
（3）了解传感器的应用。
2．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。
3．情感、态度与价值观
（1）体会传感器在生活、生产、科技领域的应用，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。
（2）通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。
【教学重点】：理解并掌握传感器的四种常见敏感元件的工作原理。
【教学难点】：分析并设计传感器的应用电路。
【教学方法】：实验探究式教学
【教学用具】：干簧管，磁铁，光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、传感器简单应用实验盒、多用电表。
【教学过程】
一、引入新课
播放美国“勇气号”火星探测器视频。“勇气号”火星探测器于2004年11月登录火星，重174kg,有6个轮子，每秒能接受2000万条指令，于2011年3月失去联系，它在火星上前进了7.8km。“勇气号”火星探测器有许多传感器，今天我们就来学习传感器及其工作原理。
二、新课教学
演示实验1：如图1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。
提问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？
学生猜测：盒子里有弹性铁质开关。
师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图（图2），了解元件“干簧管”的结构。探明原因：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。
教师点拨：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。
归纳干簧管：
1、 制造材料：软磁性材料制成的簧片 2、实验现象：磁铁靠近，电路接通
2、 工作原理：簧片因磁化而相互吸引，电路导通
4、作 用：磁信号→电路通断
（二）什么是传感器
师生总结：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。
教师提问：实验1中的干簧管是怎样的传感器？
学生回答：干簧管是一个能感受磁场的传感器。
归纳传感器：
1、定义 ：把非电学量转换成电学量 2、类别：模拟量 开关量
3、工作原理：
非电学量 |
敏感元件 |
转换器件 |
转换电路 |
电学量 |
4、特点：易感知 易测量 易控制和传输
（三）敏感元件
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教师布置学生实验，探究光敏电阻的特性和热敏电阻的特性，每2人一组，说明如何使用多用电表的欧姆挡，先机械调零，再欧姆调零，换档一次要重新调零，使用完毕选择开关要置于最高交流电压档。
Ω |
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学生实验1：用多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。
= 1 \* GB3 ①将光敏电阻与万用表的欧姆档按右图所示连成电路
②将光敏电阻受光面置于有光线照射的地方，观察万用表的读数，把光敏电阻的阻值填入现表中。
③用手控制照射光敏电阻的光，使光敏电阻受到的光线出现较亮、稍暗、较暗、黑暗几种情况，观察几种情况下光敏电阻的阻值变化，并把相应的阻值填入下表。
光敏电阻光照情况 |
较亮 |
稍暗 |
较暗 |
黑暗 |
光敏电阻的阻值（Ω） |
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④结论：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。
师生总结光敏电阻：
（1） 材料与结构：硫化镉涂在绝缘板上 （2）实验现象：光照越强，电阻越小
（3）工作原理：光照的增强，载流子增多，导电性变好 （4）作用：光强→电阻
2、探究热敏电阻的特性
学生实验2：探究热敏电阻的阻值大小与温度的关系。
实验器材：NTC热敏电阻，万用表，温度计，水杯，凉水和热水。
Ω |
欧姆表 |
热敏电阻 |
实验步骤：
①按上述电路连接电路
②取半杯热水，将热敏电阻及温度计放入热水中
③同时测量并记录水温和电阻值
④倒入少许冷水，改变杯中的水温，在同时测量水温和电阻值，填入下表：
实验数据：
次数 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
温度（℃） |
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电阻（Ω） |
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实验结论：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。
师生总结热敏电阻：
（1）制造材料：用半导体材料制作 （2）实验现象：温度越高，电阻越小
（3）工作原理：温度升高，导电能力变强 （4）作用：温度→电阻
3、探究金属热电阻的特性
提问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？
回答：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多。
演示实验2：如图6所示，AB间接有一段钨丝（从旧日光灯管中取出），闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时，灯泡亮度明显变暗。
学生探究：钨丝的电阻随温度的升高而增大。
师生总结金属热电阻：
（1）制造材料：金属或合金 （2）实验现象：温度越高，电阻越大
（3）工作原理：温度越高，导体对电流阻碍大 （4）作用：温度→电阻
师生总结比较：金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
师生总结共同总结：
（１）制造材料：电容器，电介质，被测物体
（２）实验现象：插入电介质，电容增大
（３）工作原理：物体移动带动电介质移动，从而 改变电容器的电容。
（４）作 用：位移→电阻
5、霍尔元件
（1）材料与结构：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UH。
师生讨论：霍尔元件的上的电压UH与电流I、磁感应强度B的关系，设霍尔元件长为a，宽为b，厚为d，则当薄片中载流子达到稳定状态时，，即，又因，所以，即（为霍尔系数）。
（2）实验现象：磁铁靠近，霍尔电压增大
（3）工作原理：载流子所受洛伦兹力与电场力平衡
（4）作 用：磁感应强度→电压
【课堂练习】
A. I 变大，U 变大 B. I 变小，U 变小
C. I 变小，U 变大 D. I 变大，U 变小
答案：B
例2、请利用电源、光敏电阻、干簧管、线圈和电动机等电器元件设计一个光控车库门装置的电路图，并请说出其工作原理.
解析：首先让学生讨论并设计电路，然后师生共同归纳，
最后教师作出电路图并作实验演示。
【课堂总结】
传感器是指一些能把光、力、温度、磁感应强度等非电学量转化为电学量或转换为电路的通断的元器件，它在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。日本把传感器技术列为上世纪八十年代十大技术之首，美国把传感器技术列为九十年代的关键技术，而我国有关传感器的研究和应用正方兴未艾……
【板书设计】
【教学反思】
本节课依据学生的认知规律组织教学，引入新课从生活实例入手，设置悬念，提出问题，激发学生兴趣，增强学生的求知欲；在进行“什么是传感器”的教学中注重实验探究，引导学生从两个实验的探究中加以归纳，并通过DISLab系统显示传感器的优越性，让学生了解把非电学量转化为电学量的技术意义；在对光敏电阻、热敏电阻和热电阻、霍尔元件这些制作传感器的元器件教学中，注重将教师演示实验与学生动手实验相结合，注重理论与实践相结合。整个教学过程符合新课程的三维目标，体现新课程的理念，注意培养学生的自主、合作、探究能力，注意从生活走向物理，从物理走向生活，以此增进学生的学习能力和科学素养。
2018年3月