1、传感器及其工作原理的教案时间：_02 星期 备课人： 授课人：年级高二教材人教版 选修3-2章节第6章第1节第 课时课题传感器及其工作原理课型新授课累计第 课时教学目标知识技能目标（1）、了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；（2）、知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的工作原理。（3）、了解传感器的应用.过程方法目 标通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力.情感态度价值观(1）、体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的
2、学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。（2）、通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。教学重点理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。教学难点电路的设计，理解传感器工作原理及敏感元件在电路中的作用。教具干簧管，磁铁，光敏电阻、热敏电阻演示仪、传感器简单应用实验盒、万用表。多媒体课件。教学方法实验探究法、理论探究法、分组讨论法、归纳总结法教学环节教学内容及师生互动设计情感与方法一课题的引入二什么是传感器？三光敏电阻四金属热电阻和热敏电阻五学生利用光敏电阻和热敏电阻自己设计简单的控制电路六传感器的设计思路探究【演示实验1】干簧管控制电路的通断 如图
3、，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. 师问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？生猜：（可以自由讨论，也可以请学生回答）师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了解元件“干簧管”的结构。探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，电路导通。所以，干簧管能起到开关的作用。师点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。【演示实验2】声光控开关控制电路的通断先在普通光照条件下，在把开关置于黑暗环境中。 师生总结：声光控开关师：刚才的
4、两个实验，都用了一种元件，这些元件能够感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制，这种元件有一个专门的名称：传感器。什么是传感器呢？它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。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。其实，传感器并不神秘。你家里可能就有很多的传感器。请大家相互说说看，你家里，或者在你的生活当中，都使用过，或听说过什么样的电器中有传感器？生讨论并交流：例如，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
5、自动停止。冰箱的控制，是通过温度传感器实现的。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。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。其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机的湿度传感器、电视机里换频道的红外传感器、电饭锅的温控开关、养鸡场里的孵化器、交警用来测驾驶员是否酒后开车的酒精气体测试仪、磁悬浮列车里的加速度测试器、电容式话筒里的电容式传感器、自动洗衣机里的压力传感器等等.可以说，传感器的广泛使用，丰富了我们的生活
6、，使我们的生活更加方便、安全和舒适。师：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。【演示实验3】比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻之不同学生完成：两人一组，用万用电表（由投影仪投出表盘）的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在室内自然光的照射下和用手掌遮光时进行。学生总结实验结果：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。师生总结：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。（师）工作原理：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。光敏电阻是由硫化镉制成的，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，载流子增多，导电性变好。学生
7、自学：半导体的导电机理师问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？生答：（金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多）师生总结：用金属丝可以制作温度传感器，称为金属热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。 （投影电阻R随温度变化的图线）【演示实验4】热敏电阻随温度的升高电阻减小学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。学生探究：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。师生总结1：半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。师生总结2：金
8、属热电阻与热敏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。【设计方案1】音乐盒（设计要求：盖子打开音乐响起，盖子合上，音乐停止）【设计方案2】火警报警器（设计要求：温度过高，发生警报）学生分组讨论：需要什么器材？提出设计方案；学生分两组实施组装；讨论并提出改进意见；还可以用于生活中的哪些方面？师：（ 对传感器的工作原理作阶段性的小结）传感器是把非电学量转换为电学量的元件，它使得某些非电学量容易测量或者能实现电路的自动通断.传感器的应用丰富了我们的生活，使我们的生活更舒适、更安全。但从科技进步的角度来说，传感器的应用还只是浅层次的，更重要的
9、是传感器的开发。那么，传感器如何进行开发呢？这还得从传感器的工作原理入手。例如，电容器电容的决定式为，如何利用电容的电学量与非电学量的关系设计一个电容式传感器？师：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
10、，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。师生共析：由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。也就是说：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。因此，我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。传感器是指一些能把光、力、温度、磁感应强度等非电学量转化为电学量或转换为电路的通断的元器件，它在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。日本把传感器技术列为上世纪八十年代十大技术之首，美国把传感器技术列为九十年代的关键技术，而我
11、国有关传感器的研究和应用正方兴未艾，请同学们课后通过查询资料或者向身边的内行人请教，了解我们生活中都在哪些方面使用了哪些传感器以及它们的工作原理。（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，所以又有亲切感让学生列举师生讨论科学漫步：金属铂（白金）的这个特性很明显1.金属导线；2.热敏电阻。（投影，让学生来说）可自由讨论，不一定要很完美，提出想法就是好的电容的测定：多用电表的电容档师介绍：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霍尔电压的推导在选修31中已经解决过，本节课不作推导老师解
12、释为什么用霍尔元件测微小电流比用电流表好？学生分析：磁强计、霍尔电流测试器、霍尔材料辨别分压器、风力测试仪、电子秤）（师点拨）第1章 绪论第一节 传感器组成与分类一、传感器的定义 传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。二、 传感器的组成 敏感元件 转换元件 信号调节转换电路 辅助电源敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器的组成实例三、传感器的分类、代号、主要参数1.按照物理原理分类
13、：电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； 磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； 压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； 光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；热电式传感器：热电偶、热电阻； 波式传感器：超声波式、微波式等；射线式传感器：热辐射式、射线式；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。依次为主称（传感器） 被测量转换原理序号主称传感器，代号C；被测量用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录
14、表2；转换原理用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表3；序号用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。例：应变式位移传感器： C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y-GQ-2。 3、 传感器的主要特性参数 （1）灵敏度 灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率，如右图所示，可表示为：一般希望灵敏度s在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。 （2）分辨率 分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小变化值的能力。 输入量从某个任意值
15、缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率。它可以用绝对值，也可以用量程的百分数来表示。它说明了检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。 （3）线性度与非线性误差 线性度是用实测的检测系统输入输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示的，如下图所示。 线性度可用非线性误差来表示，计算式为：采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。如使拟合直线通过实际特性曲线的起点和满量程点，可以得到端基线性度。 （4） 迟滞 迟滞特性表明检测系统在正向和
16、反向行程期间，输入输出特性曲线不一致的程度。也就是说，对同样大小的输入量，检测系统在正、反行程中，往往对应两个大小不同的输出量，如右下图所示。通过实验，找出输出量的这种最大差值，并以满量程输出YFS的百分数表示，如下式： 第二节 传感器的发展方向当今，传感器技术的主要发展动向:一、新型传感器的开发： 是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；新型传感器包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。二、传感器的集成化和多功能化：传感器集成化的一个方向是具有同样功能的传感器集成化。从而使对一个点的测量变成对一个平面和空间的测量。例如。利用电荷耦合器件形成的固体图像传感器来进行的文字和图
17、形识别。即：敏感、放大、运算于一体。三、传感器的智能化： 智能型传感器是一种带有微处理器并兼有检测和信息处理功能的传感器。智能型传感器被称为第四代传感器，使传感器具备感觉、辨别、判断、自诊断等功能，是传感器发展的主要方向。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。如，DS18B20传感器.四、无线传感器网络：GPRS远程控制系统（后面讲）第三节 检测技术的地位与作用一、 检测技术的定义 检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息
18、进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施。二、地位作用检测技术也是自动化系统中不可缺少的组成部分。检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。检测技术几乎渗透到人类的一切活动领域，发挥着愈来愈大的作用。 三、 检测系统的基本组成 一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。检测系统的组成框图如下 ：1. 传感器 传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性
19、能确定的。 2. 测量电路 测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。 3. 显示记录装置 显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。常用的有模拟显示、数字显示和图像显示三种。 模拟式显示是利用指针对标尺的相对位置表示被测量的大小。其特点是读数方便、直观，结构简单、价格低廉，在检测系统中一直被大量应用；数字式显示则直接以十进制数字形式来显示读数，实际上是专用的数字电压表
20、，它可以附加打印机，打印记录测量数值；图像显示，将输出信号送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，作为检测结果，供分析使用。第四节 检测技术的发展趋势(5m)检测技术的发展趋势主要有以下两个方面： 第一，新原理、新材料和新工艺将产生更多品质优良的新型传感器。例如光纤传感器、液晶传感器、以高分子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等。 第二，检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作，并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表，把检测技术自动化推进到一个新水平。 传感器网络例子：基于GPRS的燃气信息采集控系统摘要：介绍了一种基于GPRS的燃气信息采集控系统的设计方法。主要研究了数据采集控制模块软硬件设计、网络的安全数据传输设计、主控中心系统软件的设计。该系统能够实现对燃气管道和使用存贮燃气等场所气体泄漏以及设备运行情况进行有效的远程监测和控制。关键词：远程监控；GPRS；DTU；数据采集 可对各地多个小区气站、气库、调压站、燃气泄漏重点部位进行组网，从而实现在控制中心对管网压力、流量以及环境参数进行远程监测、控制、报警、报表、打印等功能。. 系统总体设计
