高中人教版 (2019)2 常见传感器的工作原理及应用教案

这是一份高中人教版 (2019)2 常见传感器的工作原理及应用教案，共13页。教案主要包含了物理观念，科学思维，科学探究，科学态度与责任，教学重点，教学难点，引入新课，进行新课等内容，欢迎下载使用。


本节课程主要研究了光敏电阻、热敏电阻以及电阻应变片的工作原理，及其在现实生活中的应用，认识到传感器主要是用来完成一定的控制任务，通过对本节知识的学习学生可以尝试使用常见的电子元器件，组装实用的光控开关与温度报警电路。
【物理观念】了解不同传感器的特征及工作原理
【科学思维】知道传感器是如何将非电学量转化为电学量的物理过程，培养学生理论联系实际的思维习惯。
【科学探究】查阅资料，进一步了解传感器在生产、生活中的广泛应用。
【科学态度与责任】在了解传感器原理及应用时，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，增强学习兴趣，培养良好的科学态度．
【教学重点】了解光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片以及电容式传感器的工作原理。
【教学难点】知道不同传感器在实际生产中应用时所涉及的物理原理、相应的定性分析及定量运算。
【引入新课】
问题：
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？

那么什么是非电学量呢？
比如说：光强、温度、力、位移、速度、磁场等
什么又是电学量呢？
比如说：电阻、电流、电压。
二、【进行新课】
探究点一、光敏电阻—光学传感器
1、什么是光敏电阻：随着光照强度的变化，电阻率在发生相应变化的物质。
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梳状电极，就形成一个简单的光敏电阻。
2、实 验一、观察光敏电阻特性
1）．实验原理
光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断减小，
用欧姆表连接电阻，用不同强度的光照射电阻，通过
观察欧姆表的示数变化，来研究光敏电阻与光强的关系。
2）．实验器材
光敏电阻、多用电表、导线、电源。
3）．实验步骤
（1)将光敏电阻、多用电表、按图甲的方式连接好，其中多用电表置于“×100”挡；
（2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；
（3)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。
（4）用强光照射（如太阳光直接照射或拿亮度较大的手电筒、小灯泡等）观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。
4）．数据处理
根据记录数据分析光敏电阻的特性。
5）．实验结论
(1)光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的变化阻值不断减小，强光照射下电阻值很小；
(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。
思考：为什么光敏电阻的阻值会随光强的变化而变化呢？
硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
3、光敏电阻在生产中的应用—光电计数器
其中A是发光仪器，B是接收光信号的仪器，B中的主要元件是由光敏电阻组成的光电传感器。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值较小，供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，供给信号处理系统的电压变高。这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能

光电计数的基本原理
探究点二、 金属热电阻和热敏电阻—温度传感器
4、金属热电阻与热敏电阻的区别
金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。

电阻随温度的变化关系
热敏电阻：有些半导体在温度上升时导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。
电阻随温度的变化关系
说明：与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
5、实验二、观察热敏电阻特性
方案1：（简易实验）将多用电表的选择开关调到电阻挡（注意选择适当的倍率），将一只热敏电阻连接到多用电表表笔的两端。分别用手和冷水改变热敏电阻的温度，观察电阻的变化情况。
实验结果：随着温度的变化，热敏电阻的阻值在减小。
方案2
1．实验原理
热敏电阻的电阻率会随着温度的升高而变化，
2．实验器材
半导体热敏电阻、多用电表、温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水。
3．实验步骤
(1)按实验原理图甲连接好电路，将热敏电阻绝缘处理；当烧杯中水温发生变化时，热敏电阻的阻值将发生相应变化。
(2)把多用电表置于欧姆挡，并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值，并记下温度计的示数；
(3)向烧杯中注入少量的冷水，使热敏电阻浸没在冷水中，记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值；
(4)将热水分几次注入烧杯中，测出不同温度下热敏电阻的阻值，并记录。
4．数据处理
在如图坐标系中，粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。
5．实验结论
热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。
6．注意事项
实验时，加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。
6、热敏电阻的应用
一些汽车的低油位报警装置采用热敏电阻来检测油箱的警戒液位。若给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮（图甲）。当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮（图乙）。通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。

液位报警示意图
探究点三、 电阻应变片—力传感器
7、电阻应变片的工作原理
电阻应变片是一种使用非常广泛的力敏元件，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。

电阻应变片
电阻应变片的功能：能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
8、力传感器的应用及工作原理
弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片。在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大，输出的电压差值也就越大。

应变式传感器 应变片测力原理

汽车称重的地磅
探究点四、 电容式传感器
9、电容式传感器定义及特点
1、定义：电容传感器是指将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的一种传感器。 电容器是由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成。当在两金属电极间加上电压时,电极上就会存储电荷,所以电容器是储能元件。
2.特点 ：结构简单;动作时需要能量低,由于带电极板间静电吸引力很小因此电容传感器特别适宜用来解决输入能量低的测量问题。
10、电容式传感器的工作原理
电容器的电容 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。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。
11、电容式传感器的应用及优缺点
应用：面积型可用来测量位移（较大位移），极距型传感器可用来测量微小位移，介质型传感器可用来鉴别材质。
优点：电容位移传感器能实现无接触测量。它采用合适的检测电路，做到灵敏度高、分辨力强、能分辨微小的位移。还有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便。
缺点：电容位移传感器的量程比较小，一般只有几十个毫米，容易受外界干扰和分布参数的影响

电容传感器
【拓展学习】
12、霍尔元件
霍尔元件的应用及原理1—测量磁场的大小
半导体的霍尔效应要强于导体。在一个很小的矩形半导体（如砷化铟）薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件（右图下）。在E、F 间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则在M、N 间可出现霍尔电压UH。通过分析可知，霍尔电压UH与磁感应强度B有线性关系，因此利用霍尔元件可以测量磁感应强度的大小和方向。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。

霍尔效应 霍尔原件的工作原理
霍尔元件的应用及原理2—测量微小位移
在两块磁感应强度相同、同极相对放置的磁体缝隙中放入霍尔元件，当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度B为0，霍尔电压UH为0，可将该点作为位移的零点。当霍尔元件沿着±z方向移动时，则有霍尔电压输出，且电压大小与位移大小成正比，从而能够实现微小位移的测量。

利用霍尔元件测量微小位移
课堂重点知识小结
什么是光敏电阻；
光学传感器 2.实 验一、观察光敏电阻特性；
3.光敏电阻在生产中的应用—光电计数器；
4 .金属热电阻与热敏电阻的区别；
温度传感器 5.实验二、观察热敏电阻特性;
6、热敏电阻的应用;
7.电阻应变片的工作原理
力传感器
8.力传感器的应用及工作原理

9.电容式传感器定义及特点
电容感器 10.电容式传感器的工作原理
11.电容式传感器的应用及优缺点
随堂练习
例1、(多选)利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送情况。如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光,每当工件挡住A发出的光时,光传感器就输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图乙所示。若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2 m,则下述说法正确的是( )

A.传送带运动的速度是0.1 m/s
B.传送带运动的速度是0.2 m/s
C.该传送带每小时输送3 600个工件
D.该传送带每小时输送7 200个工件
【答案】：BC
【解析】：根据题意并结合题图可知,工件1 s内的位移为0.2 m,则传送带运动的速度v=0.2/1= 0.2 m/s,选项A错误,B正确。传送带每小时输送的工件个数 = 3600(个),选项C正确,D错误。
例2、传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表 (实质是理想电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa，且已知压力传感器的电阻R与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V，g取10 m/s2。请作答：
(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘 A处。
(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，这个人的质量是 kg。
【答案】：(1)1.6×10－2 (2)50
【解析】：(1)由题表格知，踏板空载时，压力传感器的电阻R＝300 Ω，
此时电流表中电流I＝eq \f(U,R)＝eq \f(4.8,300) A＝1.6×10－2 A。
(2)当电流I′＝20 mA＝2×10－2 A时，压力传感器的电阻R′＝eq \f(U,I′)＝eq \f(4.8,2×10－2) Ω＝240 Ω，
由表格可知，这个人受到的重力为500 N，此人质量为50 kg。
例3、(多选)电动自行车是一种使用广泛的交通工具,其速度控制是通过转动右把手实现的,这种转动把手称为“霍尔转把”,属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等,截面如图甲。永久磁铁的左、右两侧分别为N、S极,开启电源时,在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压,形成电流,如图乙。随着转把的转动,其内部的永久磁铁也跟着转动,霍尔器件能输出控制车速的霍尔电压,已知电压与车速的关系如图丙。下列关于“霍尔转把”的说法正确的是（ ）
甲 乙 丙
A.为提高控制的灵敏度,应使永久磁铁的上、下端分别为N、S极。
B.按图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套),车速将变快。
C.图乙中从霍尔器件的前、后面输出控制车速的霍尔电压。
D.若霍尔器件的上、下面之间所加电压正、负极性对调,将影响车速控制。
【答案】BC
【解析】若使永久磁铁的上、下端分别为N、S极,那么磁场方向与霍尔器件中电流方向基本平行,很难形成霍尔电压,所以会降低控制的灵敏度,选项A错误;按题图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套),永久磁铁靠近霍尔器件,磁场增强,霍尔电压增大,车速变快,选项B正确;由题图乙可知,磁感线从霍尔器件左、右侧面穿过,霍尔器件上、下面之间加有一定电压,则在霍尔器件的前、后面产生霍尔电压,选项C正确;若霍尔器件的上、下面之间所加电压正、负极性对调,则霍尔电压的极性也将对调,由题图丙可知,霍尔电压极性对调不影响车速控制,选项D错误。