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
●知道什么是傳感器。
●了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的工作原理。
●會使用霍爾電壓公式 。
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,經歷科學探究過程,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、生產的密切聯系,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]
看我們實驗室的窗戶與你們家的窗戶也沒什么區別吧,但他有一個特殊的功能(課前在實驗室門上按裝一個門磁,演示:打開窗戶后)——報警,看來它能防小偷。那么打開窗戶時是如何實現自動報警的?還有:今天我們生活中常用的電視、空調的遙控器是如何實現遠距離操縱的?樓梯上的電燈如何能人來就開,人走就熄的?日光是如何控制路燈的? “非典”時期,機場、車站、港口又是如何實現快速而準確的體溫檢測的?所有這些,都離不開一個核心,那就是本堂課將要學習的傳感器。
[新課教學]
一、什么是傳感器
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:盒子里有怎樣的裝置,才能實現這樣的控制?
:盒子里有彈性鐵質開關。
師生探究投影 1:展示盒內的電路圖,了解元件“干簧管”的結構。
探明原因:電子電路中常用到干黃管,就是玻璃管內封入兩個軟磁性材料制成的簧片。當磁體靠近干簧管時,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,干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,感知干簧管周圍是否存在著磁場。干黃管是一種能感知磁場的傳感器——把磁場轉換為電路的通斷。剛才打開窗戶時干簧管使得報警器接通,從而報警。
問:什么裝置的磁場與條形磁鐵的磁場相似又可人為控制大???
生:通電螺線管
投影12):干簧繼電器
總結:將干黃管放入一個螺線管中,兩者就組合成為干簧繼電器。(教參P:78)
問:路燈的控制電路中有能感知什么的傳感器?樓梯上的電燈電路中有能感知什么的傳感器?
  光、聲
總結:現代技術中,我們可以利用一些元件設計電路,它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量,并能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流等電學量,或轉換為電路的通斷。我們把這種元件叫做傳感器。它的優點是:把非電學量轉換為電學量以后,就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制了。
投影2:一.認識傳感器
1.  什么是傳感器
傳感器是這樣一類元件:它能夠感受如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量,并能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流等電學量,或轉換為電路的通斷。
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為:開關型熱敏電阻、熱電偶、鉑熱電阻、硅P—N結集成溫度傳感器,增加學生的感性認識。
為了制作傳感器,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;并與普通電阻相比較。
學生總結實驗結果: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:光敏電阻能將什么物理量轉換為什么物理量?
生:光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。
投影42):   2)作用:光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。
3)材料:一般是半導體材料,如硫化鎘
投影43):光敏電阻結構圖
介紹:光敏電阻的結構
學生自學;書P58科學漫步,總結出光敏電阻在光照射下電阻變化的原因:有些物質,例如硫化鎘,是一種半導體材料,無光照時,載流子極少,導電性能不好;隨著光照的增強,載流子增多,導電性變好。
演示:光電計數器(見課件圖片)
原理(投影5):如圖所示為光敏電阻自動計數器的示意圖,其中R1為光敏電阻,R2為定值電阻.此光電計數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.金屬熱電阻
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,看到什么現象?說明什么問題?
生:燈泡變暗,說明鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大。
總結:用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為熱電阻。如前面已經學過的用金屬鉑可制作精密的電阻溫度計。
投影62。金屬熱電阻
1)材料:金屬
2)特性:阻值隨溫度的升高而增大(R—T圖)
3.熱敏電阻
分組:學生兩人一組,用萬用電表的歐姆擋測一只熱敏電阻的阻值。第一次直接測量,第二次用手心捂住熱敏電阻(或放在熱水中)再測量,記錄兩次測得的電阻值。
學生總結實驗結果:熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小,且阻值隨溫度變化非常明顯。
半導體熱敏電阻也可以用作溫度傳感器。
問:金屬熱電阻熱敏電阻能夠將什么物理量轉化為什么物理量?
生:熱敏電阻或金屬熱電阻能夠將溫度這個熱學量轉化為電阻這個電學量。
投影73.熱敏電阻
(1)      材料:半導體
(2)      特性:(NTC型)熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減?。?/B>R—T圖)
(PTC型熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大)
(3)      熱敏電阻或金屬熱電阻能夠將溫度這個熱學量轉化為電阻這個電學量。
問:熱敏電阻和金屬熱電阻各有哪些優缺點?(比較兩個R—T圖)
討論得出:熱敏電阻靈敏度高,但化學穩定性較差,測量范圍較小;金屬熱電阻的化學穩定性較好,測量范圍較大,但靈敏度較差。
演示:簡易溫度報警(見課件圖片)
課后設計:(課后用:電位器、熱敏電阻、蜂鳴器、電源、導線、開關 設計一個火警報警電路)
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,用什么方法檢測電容的變化?
討論得出:給電容器帶上一定的電荷,然后用靜電計來檢測兩板間電勢差的變化,即可判斷電容的變化;  或用數字式電容表測電容;  或將圖中電容器與某電感線圈組成電磁振蕩回路,從振蕩頻率的變化反映出電容的變化。
問:電容式位移傳感器能把什么物理量轉換為什么物理量?
生:電容式位移傳感器能把位移這個力學量轉換為電容這個電學量。
投影82):電容式位移傳感器能把位移這個力學量轉換為電容這個電學量。
5.霍爾元件
投影91):霍爾元件(圖)
介紹:霍爾元件是在一個很小的矩形半導體(例如砷化銦)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為q,沿電流方向定向運動的平均速率為v,單位體積內自由移動的載流子數為n,垂直電流方向導體板的橫向寬度為a,厚為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是常數。令 ,則上式可寫為 
霍爾電壓         
總結:一個確定的霍爾元件的d、k、為定值,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為電壓這個電學量。
投影93):5?;魻栐?/B>
(1)      材料:半導體,如砷化銦
(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d、k、為定值,再保持I不變,則UH的變化就與B成正比因此,霍爾元件也稱為磁敏元件。這樣,霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉化為電壓這個電學量。
演示:書P59做一做
(1)       測是否有霍爾電壓?
(2)       磁場反向后看到什么現象?
(3)       磁極靠近霍爾元件霍爾電壓如何變?
(4)       其他條件不變時霍爾電壓跟磁感線與元件工作面的夾角有什么關系?
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.機器人小車為何不會跑出桌面以外?
2.傳感器在生產、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.制作傳感器需要的敏感元件光敏電阻、熱敏電阻與金屬熱電阻、霍爾元件等。
2.光敏電阻的阻值隨光的強度增大而減小。光敏電阻將光照強弱這個光學量轉化為電阻這個電學量。
3.熱敏電阻的阻值隨溫度的升高不一定減小。PTC型的熱敏電阻阻值會隨溫度的升高而增大。熱敏電阻或金屬熱電阻將溫度這個熱學量轉化為電阻這個電學量。
4.霍爾元件的霍爾電壓公式為 ,霍爾元件把磁感應強度這個磁學量轉化為電壓這個電學量。
5.電容式傳感器能夠把位移這個力學量轉化為電容這個電學量。
【課后作業】
 課時作業:P:61—63
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