常见传感器的工作原理及应用教学设计

常见传感器的工作原理及应用
教学目标
1．了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻片、霍尔元件等特性
2．知道利用其特性制作敏感元件。

教学重难点
教学重点
知道传感器中常见的四种敏感元件：光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片和霍尔元件。

教学难点
知道常见传感器的工作原理及应用。

教学准备
多媒体设备
教学过程
新课引入
教师活动：展示图片。

教师口述：我们知道，传感器可以感受光强、温度、力、磁等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。

那么，常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？
讲授新课
一、光敏电阻
教师提问：光敏电阻是如何制造成功的？（有一些物质，例如硫化镉，电阻率与所受光照的强度有关，把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极，这样就制成了一个光敏电阻。

）
教师提问：光敏电阻的电阻和光照之间有什么样的联系呢？看演示实验
教师活动：完成演示实验：
实验器材：光敏电阻、普通电阻、万用电表
实验过程：将电表置于倍率为“×1k”的欧姆档，先用阳光直接照射光敏电阻，测出电阻的阻值，然后用室内自然光照射测量光敏电阻的阻值，最后用手掌遮住光敏电阻测量其阻值。

教师提问：电阻阻值有什么变化呢？
学生回答：电阻阻值逐渐减小。

教师总结：光敏电阻的阻值随着光照强度的增加而减小。

教师活动：将普通电阻表面的漆层除去一些，是里面的导电膜露出来接收光照。

重做上述实验。

教师提问：普通电阻的阻值跟光照强度有关系吗？
学生回答：无关。

教师提问：为什么光敏电阻的阻值会随着光照的增强而减弱呢？
学生回答：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，载流子增加，导电性能增强。

教师补充：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

（2）热敏电阻和金属热电阻
教师讲解：有一些电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，这些电阻随温度的升高导电性能增加，电阻减小，并且电阻随温度的变化非常明显，这样的电阻称之为热敏电阻。

教师活动：完成演示实验——电容式位移传感器
实验器材：热敏电阻、万用电表
实验过程：将电表置于欧姆档，分别用手和冷水去改变热敏电阻的温度，测出电阻的阻值，教师提问：用手握着时，电阻怎么变化呢？
学生回答：变小
教师追问：热敏电阻的阻值有什么特点呢？
学生回答：随着温度的增加而减小。

教师讲解：
金属的电阻率随温度的升高而升高，这样的电阻称之为金属热电阻，常用的金属热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。

与热敏电阻相比，金属热电阻的化学性质稳定，测温范围广，但是灵敏度较差。

教师总结：热敏电阻和热电阻能够把温度这个热学量转化为电阻这个电学量。

热敏电阻与金属热电阻的区别如下：
（3
教师讲解：电阻应变片是一种使用非常广泛的力敏元件。

我们知道，电阻与导体的材料、长度和横截面积有关。

当金属丝受到拉力时，长度变长、横截面积变小，导致电阻变大；当金属丝受到压力时，长度变短、横截面积变大，导致电阻变小。

金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。

金属电阻应变片就是利用这一原理制成的。

除了金属电阻应变片外，常用的电阻应变片还有半导体电阻应变片，它的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。

电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。

（4）电容式传感器
教师提问：决定电容器的电容C的有哪些物理量？
学生回答：电容C决定于极板的正对面积 S、极板间的距离d以及极板间的电介质这三个因素。

教师讲解：也就是说如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化，由此可以制成电容式传感器。

教师总结：电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。

（5）霍尔元件
教师提问：霍尔元件也是一种重要的磁敏元件，它根据霍尔效应原理制成。

霍尔元件的电压和电流、磁感应强度之间有什么关系？
原理分析：在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则薄片中的载流子就在洛仑兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现了电压，成为霍尔电压U H。

可以证明U H＝kIB/d，式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小和薄片的材料有关。

一个霍尔元件的d、k为定值，再保持I恒定，则U H的变化就与B成正比。

教师总结：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

应用：检测磁场及其变化、测量微小位移。

典题剖析
例1．传感器已广泛应用在生产、生活中，下列关于传感器的说法正确的是( ) A．火警报警器使用了压力传感器
B．冰箱控温系统使用了温度传感器
C．商场里的自动门使用了光传感器
D．夜间自动打开的路灯使用了温度传感器
解析：火警报警器使用了温度传感器，故A错误；冰箱控温系统使用了温度传感器，故B正确；一般人体都有恒定的体温，一般在37 ℃，所以会发出特定波长10 μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10 μm左右的红外线而进行工作的。

人走向门口时，门会自动打开，是因为安装了红外线传感器，从而能感知红外线，导致门被打开，故C错误；灯要求夜晚亮、白天熄，而白天有光，黑夜没有光，则是由光导致电路的电流变化，所以电路中光传感器导致电阻变化，实现自动控制，因此是利用半导体的光敏性，即为光电传感器，故D错误。

答案：B
例 2. 如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)( )
A．向右偏到某一刻度后回到零刻度
B．向左偏到某一刻度后回到零刻度
C．向右偏到某一刻度后不动
D．向左偏到某一刻度后不动
解析：压力F作用时，极板间距d变小，由C＝εr S
4πkd
，电容器电容C变大，又根据Q ＝CU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。

F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度。

故选A。

答案：A
课堂小结。