学案：6.1 传感器及其工作原理

第1节传感器及其工作原理1.传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。

2．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。

3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

4．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。

5．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

一、传感器1．传感器的定义能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件。

2．非电学量转换为电学量的意义把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。

二、光敏电阻1．特点光照越强，电阻越小。

2．原因无光照时，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。

3．作用把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

三、热敏电阻和金属热电阻图6­1­11．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图6­1­1所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。

图6­1­22．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图6­1­2所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。

四、霍尔元件1．霍尔元件图6­1­3如图6­1­3所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，它就成为一个霍尔元件。

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。

2．霍尔电压U H ＝k IB d(1)其中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。

(2)一个霍尔元件的厚度d 、霍尔系数k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件。

6.1传感器及其工作原理1.教材分析首先，通过观察一些现象和常见的事例，初步形成传感器的概念。

然后，介绍三种制作传感器所使用的敏感元件，运用以前学习的物理知识了解它们的工作原理。

这样，就为认识传感器的应用打下了基础。

为了引起学生的兴趣和加强感性认识，安排了几个演示实验和随堂的学生分组实验，这是必不可少的。

2.传感器概念的教学学生在平时很少感受到传感器的存在及其所起的作用。

．因此，宜采用从具体的事例引导的方法，来认识什么是传感器。

首先，用“永磁体控制小灯泡开关”的实验引入课题，所使用的干簧管构造很简单，并且易于由磁化的知识了解其工作原理，具体内容可参阅后面实验参考资料部分的相关内容。

接着，通过若干事例提出了温度传感器的应用，还可以由教师和学生共同举出能够接触到的其他事例。

最后，概括出传感器的一般概念。

传感器将非电学量转换成的电学量可以有两类。

一类是模拟量，如电阻、电压、电流等，便于计量。

光敏电阻就属于这一类。

另一类是开关量，如电路的通与断，便于实现控制的功能，干簧管就属于这一类。

课本图6．1—3中的温度传感器照片，从上到下分别是：开关型热敏电阻、热电偶、铂热电阻、硅P—N结集成温度传感器。

3.光敏电阻的教学光敏电阻是一种最简单的光敏元件，它的价格低(几角钱)，不易损坏，适合学生实验。

用课本图6．1—5所示的方法做随堂实验，可以直接观察到电阻随光照的变化，并且能够让学生再次练习使用多用电表。

有关使用光敏电阻做传感器应用电路的内容将在后面介绍。

要将光敏电阻与普通电阻器对比，突出显示光敏电阻对光照的高度敏感性。

普通电阻器的导电物质是附着在细瓷棒(或细瓷管)上的金属膜或碳(石墨)膜，不具有光敏性。

讲解光敏电阻的工作原理，能够扩展学生关于物质导电性的知识。

除了已学过的金属的自由电子导电和溶液的离子导电外，又认识了半导体依靠载流子导电的机理。

在课本“科学漫步”栏目中，对这种导电机理做了浅显的解释，学生有所领会即可，不要求掌握。

选修3----2第六章传感器1.传感器及其工作原理（学案）学习目标1．通过观察一些现象和常见的实例，初步认识传感器。

2．初步认识三种制作传感器的敏感元件。

本节重点认识三种制作传感器的敏感元件。

自主学习1．干簧管是一种__________的传感器。

2．传感器是一种能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等__________，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等__________，或转换为__________的一类元件。

3．光敏电阻能够把__________转换为__________。

4．热敏电阻或金属热电阻能够把__________转换为__________这个电学量。

5．霍尔元件能够把__________转换为__________这个电学量。

学习过程1．实验探究一：目的：引起学生的好奇心。

内容方法：干簧管控制电路的通断。

2．实验探究二：目的：了解光敏电阻对电路的影响。

实验方案设计：对课本的实验进行修改。

使用电池、灵敏电流计、导线、光敏电阻组成电路，用光照光敏电阻时观察电流的变化。

实验分析：电流为什么变化。

实验理解：光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

3．实验探究三：目的：了解热敏电阻对电路的影响。

（同上略）实验小结：介绍光敏电阻、热敏电阻的组成材料及半导体的特性。

4．理论探究：（教师讲解）霍尔元件例题书54页问题与练习第一题（答案见教参）作业书55页问题与练习第二题（答案见教参）自主学习答案1。

能够感知磁场2.非电学量；电学量；电路的通断3.光照强弱这个光学量；电阻这个电学量4.温度这个热学量；电阻5磁感应强度这个磁学量；电压。

H H6.1 传感器及其工作原理一. 传感器的原理 传感器是这样一类元件：它能够感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们转换成电学量〔电压、电流等〕,或转换为电路的通断.这样就可以更方便地进行传输、测量、处理了.二. 传感器的分类1. 光电传感器—光敏电阻 半导体,光照越强,电阻越小.2. 温度传感器—热敏电阻和金属热电阻.〔1〕热敏电阻： 半导体,温度越高,电阻越小.〔2〕金属热电阻： 金属,温度越高,电阻越大.3. 电容式位移传感器 位移转换成电容器电容的变化.4. 霍尔元件 把磁学量转换成电学量〔1〕霍尔电压：矩形半导体薄片,通电流I ,垂直方向加磁场B ,那么在两侧出现电压H IB U k d. k —霍尔系数. 与薄片材料有关； d —霍尔元件厚度 〔2〕原理： 载流子运动,受洛伦兹力作用,在两侧累积电荷,形成电压.〔3〕霍尔元件〔磁敏元件〕：H U 与B 成正比.把B 转换成电压信号.三． 例题分析例1. 如图所示,1R ,2R 为定值电阻,L 为小灯泡,3R 为光敏电阻,当照射光强度增大时〔 〕A. 电压表的示数增大B. 2R 中电流减小C. 小灯泡的功率增大D. 电路的路端电压增大例2. 如图所示,1R 为定值电阻,2R 为负温度系数的热敏电阻,L 为小灯泡,当温度降低时〔 〕A. 1RC. 小灯泡的亮度变强D. 小灯泡的亮度变弱例3. 传感器是一种采集信息的重要器件.如图所示是一种测定压力的电容式传感器.当待测压力F 作用于可动膜片电极时,可使膜片产生形变,引起电容的变化,将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路,那么〔 〕A 、 当F 向上压膜片电极时,电容将减小B 、 当F 向上压膜片电极时,电容将增大C 、 若电流计有示数,那么压力F 发生变化D 、 若电流计有示数,那么压力F 不发生变化例4. 图是霍尔元件的工作原理示意图,用d 表示薄片的厚度,k 为霍尔系数,对于一个霍尔元件d 、k 为定值,如果保持I 恒定,那么可以验证U H 随B 的变化情况.以下说法中正确的是〔 〕A. 将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面,U H 将变大B. 在测定地球两极的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平C. 在测定地球赤道上的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平D. 改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,U H 将发生变化例5. 如图为一热敏电阻的I —U 关系曲线图.〔1〕为了通过测量得到I —U 关系的完整曲线,在图甲和图乙两个电路中应选择的是图；简要说明理由.〔电源电动势9V ,内阻不计,滑动变阻器0～100Ω〕〔2〕在右图所示电路中,电源电压恒为9V ,电流表读数为70mA,定值电阻1250R =Ω,由热敏电阻的I —U 关系曲线图可知,热敏电阻两端的电压为V,电阻2R 的阻值为Ω[例题答案]例1. ABC ；例2. C ； 例3. BC ； 例4. ABD ；例 5. 〔1〕甲；甲图电压调节X 围大,可从0调到所需电压.〔2〕1190.036 A 250U I R ===,210.070.0360.034 A I I I =-=-=,查表知=5.2 V U 热敏, 那么29 5.2 3.8 V U U U =-=-=热敏,222111.8 ΩU R I ==。

传感器及其工作原理的教案一、教学目标1. 了解传感器的概念、作用和分类。

2. 掌握常见传感器的工作原理和应用。

3. 能够分析传感器在现实生活中的重要作用。

二、教学内容1. 传感器的基本概念解释传感器的定义，描述传感器在电子设备中的作用。

2. 传感器的分类介绍常见传感器的类型，如温度传感器、压力传感器、光敏传感器等。

3. 温度传感器讲解温度传感器的工作原理，如热敏电阻、热电偶等。

4. 压力传感器介绍压力传感器的工作原理，如应变片、压阻传感器等。

5. 光敏传感器阐述光敏传感器的工作原理，如光电二极管、光敏电阻等。

三、教学方法1. 采用讲授法，讲解传感器的基本概念、分类和各种传感器的工作原理。

2. 使用演示法，展示传感器的工作过程和应用实例。

3. 开展小组讨论，分析传感器在现实生活中的作用。

四、教学准备1. 准备相关教材、课件和教学图片。

2. 准备实物传感器，如温度传感器、压力传感器等。

3. 准备示波器、电压表等实验器材。

五、教学过程1. 导入新课通过提问方式引导学生思考传感器在生活中的应用，激发学生的兴趣。

2. 讲解传感器的基本概念讲解传感器的定义，阐述传感器在电子设备中的作用。

3. 介绍传感器的分类介绍常见传感器的类型，让学生了解传感器家族。

4. 讲解温度传感器的工作原理讲解热敏电阻、热电偶等温度传感器的工作原理。

5. 讲解压力传感器的工作原理讲解应变片、压阻传感器等压力传感器的工作原理。

6. 讲解光敏传感器的工作原理讲解光电二极管、光敏电阻等光敏传感器的工作原理。

7. 演示传感器的工作过程和应用实例展示实物传感器的工作过程，让学生更直观地理解传感器的工作原理。

8. 小组讨论让学生结合生活实际，分析传感器在现实生活中的重要作用。

9. 课堂小结10. 布置作业布置一些有关传感器的思考题和实践题，巩固所学知识。

1. 课堂问答：通过提问，了解学生对传感器概念和分类的掌握情况。

2. 小组讨论：观察学生在讨论中的表现，评估他们对传感器工作原理的理解。

传感器及其工作原理知识与技能：（1）通过实验及生活中的实例获得对传感器的感性认识。

（2）知道干簧管、光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻的特性和工作原理。

（3）知道什么是传感器，它的作用、类别、目的。

知道非电学量转换成电学量的技术意义；重点：传感器的概念，光敏电阻、热敏电阻的特性，热敏电阻、金属热电阻的特性差异。

难点：传感器的工作原理。

教具准备：声控光控灯泡1支，干簧管1只，光敏电阻、热敏电阻各30个，多用电表30个，烧杯30个过程与方法：学生主体，教师主导。

以学生自主活动为主，以探究为原则。

探究式教学法：具体实例引导→感知传感器→传感器元件特性探究→引导学生观察→功能总结→尝试应用。

情感态度与价值观：体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣教学过程2、将热敏电阻接触热水，阻值有什么变化？学生探究得出：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。

【板书】温度高低→电阻大小除了热敏电阻外，还有一种金属热电阻，它也能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量【板书】4、金属热电阻上学期我们学金属的电阻率的时候知道金属的电阻率随温度升高而怎么变化呢？引导学生理论分析得出：温度升高，金属热电阻阻值变大引导学生总结：热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

【板书】温度高低→电阻大小与热敏电阻比较投影电阻与温度的关系曲线：如图是两种不同材料的传感器电阻随温度变化的图象，请同学们指出哪条是热敏电阻的曲线，哪条是金属热电阻的曲线金属热电阻的灵敏度较差，但化学稳定性好，测温范围大。

典型材料：金属铂（白金）。

下面我们再来看看这个仪器能有什么作用：展示电容位移传感器分析得出：这个能够将位移转化为电容值除了这几个，刚才我们演示的声控开关也是一种传感器。

它将声音信号转变为了电路的通断。

将各种传感器及其功能集中投影，引导学生总结得出传感器的概念。

问题：传感器感受到的信号属于什么类型的信号？传感器将这类信号转变为什么类型的信号了？总结得出，传感器能够将非电学量转变为电学量【板书】二、传感器的定义：能够将非电学量转变为电学量的元件它的优点是：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。

第六章传感器§6.1 传感器及其工作原理【学习目标】1、知道什么是传感器2、了解传感器的常用元件的特征【自主学习】一、传感器：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等＿＿＿＿＿量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等＿＿＿＿量，或转换为电路的通断。

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。

传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换＿＿＿＿信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。

常见的传感器有：＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。

二、常见传感器元件：1、光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，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，导电性能变好，光敏电阻能够把＿＿＿＿＿这个光学量转换为电阻这个电学量。

它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。

２、金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而＿＿＿＿，用金属丝可以制作＿＿＿＿传感器，称为＿＿＿＿＿。

它能用把＿＿＿＿这个热学量转换为＿＿＿＿这个电学量。

热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而＿＿＿＿或＿＿＿＿。

与热敏电阻相比，金属热电阻的＿＿＿＿＿好，测温范围＿＿＿，但＿＿＿＿较差。

３、电容式位移传感器能够把物体的＿＿＿＿这个力学量转换为＿＿＿这个电学量。

４、霍尔元件能够把＿＿＿＿＿＿这个磁学量转换为电压这个电学量【典型例题】例一如图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻R t的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。

若往R t上擦一些酒精，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”）移动。

例二、传感器是一种采集信息的重要器件。

如图所示是一种测定压力的电容式传感器。

当待测压力F作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（）A、当F向上压膜片电极时，电容将减小B、当F向上压膜片电极时，电容将增大C、若电流计有示数，则压力F发生变化D、若电流计有示数，则压力F不发生变化例三、如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？（此题描述的是著名的霍尔效应现象）【针对训练】1、简单的说，光敏电阻就是一个简单的＿＿＿＿＿传感器，热敏电阻就是一个简单的＿＿＿＿＿传感器。

学案1传感器及其工作原理[目标定位] 1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用．一、什么是传感器[问题设计]如图1所示，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．图1盒子里有什么样的装置，才能消灭这样的现象？答案盒子里用到了干簧管．把干簧管串入电路，当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用．[要点提炼]1．干簧管结构：如图2所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片．图2作用：在电路中起到开关的作用，它是一种能够感知磁场的传感器．2．传感器定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们依据肯定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件．3．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以便利地进行测量、传输、处理和把握．4．在分析传感器时要明确：(1)核心元件是什么；(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；(3)是如何显示或把握开关的．二、光敏电阻[问题设计]在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以精确得知生产产品的数量，如图3所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是什么？图3答案当光被产品拦住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次．[要点提炼]1．光敏电阻：把电阻率与所受光照强度有关的物质(如硫化镉)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．2．原理：无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增加，载流子增多，导电性变好．3．特点：光照越强，电阻越小．4．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．三、热敏电阻和金属热电阻[问题设计]如图4所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R T(温度上升，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中心．若在R T上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？图4答案 由于酒精挥发，热敏电阻R T 温度降低，电阻值增大，指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻R T 温度上升，电阻值减小，指针将向右偏． [要点提炼]1．热敏电阻：用电阻随温度变化格外明显的半导体材料如(氧化锰)制成．按热敏电阻阻值随温度变化的规律，热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻． (1)正温度系数的热敏电阻随温度上升电阻增大．(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度上升电阻减小．2．金属热电阻：金属的电阻率随温度上升而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻．3．热敏电阻和金属热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． 四、霍尔元件 [问题设计]如图5所示，在矩形半导体薄片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伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向移动，使M 、N 间消灭了电压，称为霍尔电压U H .试推导其表达式．图5答案 设薄片厚度为d ，EF 方向长度为l 1，MN 方向长度为l 2，薄片中的载流子受到洛伦兹力发生偏转，使半导体内部消灭电场，载流子同时受到电场力和洛伦兹力的作用，当洛伦兹力与电场力平衡时，M 、N 间电势差达到稳定． 即q Ul 2＝q v B再依据电流的微观表达式I ＝nq v S ，S ＝l 2d 整理得：U ＝IB nqd令k ＝1nq ，其中n 为材料单位体积的载流子的个数，q 为单个载流子的电荷量，它们均为常数．则有U ＝k IBd .[要点提炼]1．组成：在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，就成为一个霍尔元件． 2．原理：E 、F 间通入恒定的电流I ，同时外加与薄片垂直的磁场B 时，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M 、N 间消灭电压．霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡．3．作用：霍尔电压U H ＝k IBd (d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数)．其中U H 与B 成正比，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． 4．霍尔电势凹凸的推断方法由左手定则推断带电粒子的受力方向，假如带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，假如是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向．一、对传感器的生疏例1 如图6是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．图6其中电源电压保持不变，R 是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．(1)若把一只电压表接在c 、d 之间当油箱中油量削减时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)． (2)将电压表接在b 、c 之间，当油箱中油量削减时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)． 解析 (1)当油量削减时，R 的数值会增大，电路中的电流会减小，c 、d 间的电压会减小．当把电压表接在c 、d 两点间，电压表示数减小时，表示油量在减小．(2)把电压表接在b 、c 之间，油量削减时，R 增大，电压表的示数增大． 答案 (1)减小 (2)增大二、对光敏电阻、热敏电阻的生疏及应用例2 如图7所示，R 1、R 2为定值电阻，L 为小灯泡，R 3为光敏电阻，当入射光强度增大时( )图7。