傳感器及其工作原理

作者: 來源:點擊數: 發布時間:2012年11月28日
傳感器及其工作原理
 
【教學目標】
知識與技能
●知道什麽是傳感器。
●了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。
●会使用霍爾電壓公式 。
過程與方法
●通過對實驗的觀察、思考和探究,讓學生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同時,經曆科學探究過程,學習科學研究方法,培養學生的觀察能力、實踐能力和創新思維能力。
情感態度與價值觀
●培養學生科學探究的能力,體驗科學探究的樂趣,體驗成功的快樂;
●通過對實驗、生活中實例的分析與探究,培養學生發散思維,感受物理與生活、生産的密切聯系,對社會發展的促進作用,體會物理學的重要性。
【重點難點】
重點:認識各種常見的傳感器;了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。
難點:光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。
【教學內容】
[導入新課]
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。
[新課教學]
一、什麽是傳感器
演示:如圖所示,小盒子的側面露出一個小燈泡,盒外沒有開關,當把磁鐵放到盒子上面,燈泡就會發光,把磁鐵移開,燈泡熄滅。 
問:盒子裏有怎樣的裝置,才能實現這樣的控制?
:盒子裏有彈性鐵質開關。
師生探究投影 1:展示盒內的電路圖,了解元件“幹簧管”的結構。
探明原因:電子電路中常用到幹黃管,就是玻璃管內封入兩個軟磁性材料制成的簧片。當磁體靠近幹簧管時,兩個由軟磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引,電路導通,幹簧管起到了開關的作用。
點撥:這個裝置反過來還可以讓我們通過燈泡的發光情況,感知幹簧管周圍是否存在著磁場。幹黃管是一種能感知磁場的傳感器——把磁場轉換爲電路的通斷。剛才打開窗戶時幹簧管使得報警器接通,從而報警。
問:什麽裝置的磁場與條形磁鐵的磁場相似又可人爲控制大小?
生:通電螺線管
投影12):幹簧繼電器
總結:將幹黃管放入一個螺線管中,兩者就組合成爲幹簧繼電器。(教參P:78)
問:路燈的控制電路中有能感知什麽的傳感器?樓梯上的電燈電路中有能感知什麽的傳感器?
  光、聲
總結: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、溫度、光、聲、化学成分等非電學量,並能把它們按照一定的規律轉換爲電壓、電流等電學量,或轉換爲電路的通斷。我们把这种元件叫做传感器。它的优点是:把非電學量轉換爲電學量以后,就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
投影2:一.認識傳感器
1.  什麽是傳感器
傳感器是這樣一類元件:它能够感受如力、溫度、光、聲、化学成分等非電學量,並能把它們按照一定的規律轉換爲電壓、電流等電學量,或轉換爲電路的通斷。
投影3:出示幾種常見的傳感器(溫度傳感器、明火探測器、離子感煙器、氣體傳感器、紅外線傳感器),書P:56圖61—3各種溫度.傳感器從上向下依次爲:開關型熱敏電阻、熱電偶、鉑熱電阻、矽P—N結集成溫度傳感器,增加學生的感性認識。
爲了制作傳感器,常常需要一些元器件,下面看幾個實例:
二.制作傳感器常用的一些元件
1.光敏電阻
分組:學生兩人一組,用萬用電表的歐姆擋測量一只光敏電阻的阻值,實驗分別在暗環境和強光照射下進行;並與普通電阻相比較。
学生總結实验结果:光敏電阻在暗環境下電阻值很大,強光照射下電阻值很小。
投影41):二.制作傳感器常用的一些元件
1.光敏電阻
1)特性:光敏電阻對光敏感,電阻隨光照強度的增大而減小
問:光敏電阻能將什麽物理量轉換爲什麽物理量?
生:光敏電阻能够把光照強弱這個光學量轉換爲電阻這個電學量。
投影42):   2)作用:光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換爲電阻這個電學量
3)材料:一般是半導體材料,如硫化镉
投影43):光敏電阻结构图
介紹:光敏電阻的结构
學生自學;书P58科学漫步,總結出光敏電阻在光照射下電阻变化的原因: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:光電計數器(見課件圖片)
原理(投影5):如图所示爲光敏電阻自动计数器的示意图,其中R1爲光敏電阻,R2爲定值電阻.此光电计数器的基本工作原理是(       )
A.當有光照射 R1時,信號處理系統獲得高電壓
B.當有光照射R1時,信號處理系統獲得低電壓
C.信號處理系統每獲得一次低電壓就記數一次
D.信號處理系統每獲得一次高電壓就記數一次
2.金属热電阻
問:金屬導體的導電性能與溫度有關嗎?關系如何?
演示:將一段鎢絲(從舊日光燈管中取出)與小燈泡、開關、電源連接成閉合回路,閉合開關,燈泡正常發光,當用打火機給鎢絲加熱時,看到什麽現象?說明什麽問題?
生:灯泡变暗,说明钨丝的電阻随溫度的升高而增大。
總結:用金属丝可以制作溫度传感器,称爲热電阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的電阻溫度计。
投影62。金属热電阻
1)材料:金屬
2)特性:阻值隨溫度的升高而增大(R—T圖)
3.热敏電阻
分組:学生两人一组,用万用电表的欧姆挡测一只热敏電阻的阻值。第一次直接测量,第二次用手心捂住热敏電阻(或放在热水中)再测量,记录两次测得的電阻值。
学生總結实验结果:热敏電阻的阻值随溫度的升高而减小,且阻值随溫度变化非常明显。
半导体热敏電阻也可以用作溫度传感器。
問:金属热電阻热敏電阻能够将什么物理量轉化爲什么物理量?
生:热敏電阻或金属热電阻能够将溫度這個熱學量轉化爲電阻這個電學量。
投影73.热敏電阻
(1)      材料:半導體
(2)      特性:(NTC型)热敏電阻的阻值随溫度的升高而减小(R—T圖)
(PTC型热敏電阻的阻值随溫度的升高而增大)
(3)      热敏電阻或金属热電阻能够将溫度這個熱學量轉化爲電阻這個電學量
問:热敏電阻和金属热電阻各有哪些优缺点?(比较两个R—T圖)
討論得出:热敏電阻靈敏度高,但化學穩定性較差測量範圍較小;金属热電阻的化學穩定性較好測量範圍較大,但靈敏度較差
演示:简易溫度报警(見課件圖片)
課後設計:(课后用:电位器、热敏電阻、蜂鸣器、电源、导线、开关 设计一个火警报警电路)
4.電容式位移傳感器
學生看教材59:“說一說”欄目中的內容。
投影81):4.電容式位移傳感器(及示意圖)
問:物體位移變化,電介質在極板間移動,使電容變化,用什麽方法檢測電容的變化?
討論得出:给電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,即可判断電容的变化;  或用数字式電容表测電容;  或将图中電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電容的变化。
問:電容式位移传感器能把什么物理量轉換爲什么物理量?
生:電容式位移传感器能把位移這個力學量轉換爲電容這個電學量。
投影82):電容式位移傳感器能把位移這個力學量轉換爲電容這個電學量
5.霍爾元件
投影91):霍尔元件(圖)
介紹:霍爾元件是在一個很小的矩形半導體(例如砷化铟)薄片上,制作4個電極E、F、M、N而成(如圖所示)。若在E、F間通入恒定的電流I,同時外加與薄片垂直的勻強磁場B,薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發生偏轉,使M、N間出現電壓U。
探討:霍爾元件的上的電壓U與電流I、磁感應強度B的關系,設霍爾元件載流子的電荷量爲q,沿電流方向定向運動的平均速率爲v,單位體積內自由移動的載流子數爲n,垂直電流方向導體板的橫向寬度爲a,厚爲d

a
 
d
B
I
投影92):(1)電流的微觀表達式?

             2)載流子在磁場中受到的洛倫茲力
3)載流子在洛倫茲力作用下側移,兩個側面出現電勢差,載流子受到的電場力
4)當達到穩定狀態時,洛倫茲力與電場力平衡
學生推出:  ①, , , ② ,由①②式得
總結:式中的nq與導體的材料有關,對于確定的導體,nq是常数。令 ,则上式可写爲 
霍爾電壓         
總結:一個確定的霍爾元件的dk、爲定值,再保持I不變,則UH的變化就與B成正比。這樣,霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉化爲電壓這個電學量
投影93):5。霍爾元件
(1)      材料:半導體,如砷化铟
(2)      原理圖
(3)      霍爾電壓      k霍爾系數 與材料有關
(4)      一個確定的霍爾元件的dk、爲定值,再保持I不變,則UH的變化就與B成正比因此,霍尔元件也称爲磁敏元件。这样,霍尔元件能够把磁感應強度這個磁學量轉化爲電壓這個電學量
演示:書P59做一做
(1)       测是否有霍爾電壓?
(2)       磁场反向后看到什么现象?
(3)       磁极靠近霍尔元件霍爾電壓如何变?
(4)       其他条件不变时霍爾電壓跟磁感线与元件工作面的夹角有什么关系?
演示:機器人小車始終走不出桌面,到了桌子邊緣會自動拐彎。
小試牛刀:
1.机器人小车爲何不会跑出桌面以外?
2.傳感器在生産、生活實際中還有哪些應用?
【課堂小結】
投影(10):本節課主要學習了以下幾個問題:
1.制作传感器需要的敏感元件光敏電阻、热敏電阻与金属热電阻、霍尔元件等。
2.光敏電阻的阻值随光的强度增大而减小。光敏電阻将光照強弱這個光學量轉化爲電阻這個電學量
3.热敏電阻的阻值随溫度的升高不一定减小。PTC型的热敏電阻阻值会随溫度的升高而增大。热敏電阻或金属热電阻将溫度這個熱學量轉化爲電阻這個電學量
4.霍爾元件的霍爾電壓公式爲 ,霍尔元件把磁感應強度這個磁學量轉化爲電壓這個電學量
5.電容式传感器能够把位移這個力學量轉化爲電容這個電學量
【課後作業】
 課時作業:P:61—63
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