传感器及其工作原理.doc

(完整版)传感器及其工作原理
第一节 传感器及其工作原理
教学目标：
1。知道什么是传感器，理解各类传感器的工作原理
2.知道光敏电阻特点及作用
3。掌握热敏电阻和金属电阻的特点及区别
4。理解霍尔元件的原理及作用会用得各类元件（热敏电阻、光敏电阻、霍尔元件等）设计简单的控制电路
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：PPT课件，演示实验，讲授
教学用具：PPT课件，光敏电阻，干簧管等
教学过程：
（一)引入新课
教师：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。
学生：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。
演示实验：
干簧管控制电路的通断: 如图,小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面,灯泡就会发光，把磁铁移走,灯泡熄灭。
（演示实验1：干簧管传感器）

（演示实验1：干簧管传感器)（干簧管的实物及原理图)
学生对干簧管并不熟悉，因此才有了好奇。声光控开关在生活中很普及，所以又有亲切感
学生活动：
①当冰箱内的温度高于设定值时，制冷系统自动启动，而当温度低于设定值时，制冷系统又会自动停止.冰箱的控制，是通过温度传感器实现的。
②楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼道时，开关自动接通，灯就亮;白天，不管是否有人经过，开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就是声光传感器。
③为了防止火灾的发生，在宾馆房间的天花板上大多有一个小盒子，当房间失火时它能感知出现的烟雾,通过电路发出警报，这个小盒子就是烟雾传感器
（二)新课教学
1、什么是传感器
(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)．传感器的作用是什么：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。
为了制作传感器，需要一些元器件，下面我们就来看几个实际的例子。
2、光敏电阻
【演示实验】比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻之不同

空穴和自由电子的形成，是由于光照和温度升高载流子获得能量

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.
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？
学生回答：
（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

1、金属导线
2、热敏电阻

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?
学生回答：
（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,但灵敏度较差。
（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。
问题：如图，当被测物体左右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动,如果测出了电容的变化,就能知道物体位置的变化,用什么方法可以检测电容的变化?

学生回答：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。
其它电容传感器:电容式压力传感器、电容式位移传感器、电容式角度测试仪、电容式电解液液面升降测试器
4．霍尔元件
1879年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体,当磁场方向与电流方向垂直时,导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。人们把这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利用霍尔效应做成了霍尔元件。
如图，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。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。这个电压叫霍尔电压，其决定式为。式中为薄片的厚度，为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关

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
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。
课堂小结：本节讲了传感器的概念,三个电阻（光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻），一个元件(霍尔元件)
作业：整理本节知识点4霍尔元件
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