传感器及其工作原理教案(共12页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上§11 传感器及其工作原理职教中心 机电部 鲍亚莉教学流程图引入认识传感器演示实验光敏电阻半导体的导电机理演示实验热电阻热敏电阻科学漫步说一说演示实验设计传感器课堂小结1课外研究性课题利用传感器利用光敏电阻设计音乐茶杯利用热敏电阻设计火警装置课堂小结2利用电容利用霍尔效应利用滑动变阻器学生设计讨论 课 题第1节 传感器及其工作原理教学目标1.知识与技能：知道非电学量转换成电学量的技术意义；通过实验，知道常见传感器的工作原理；初步探究利用和设计简单的传感器.2.过程与方法：通过对实验的观察、思考和探究，让学生了解传感器、熟悉传感器工作原理；让学生自己设计简单的传感器，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的实践能力和创新思维能力. 3.情感态度与价值观：在理解传感器工作原理的基础上，通过自己设计简单的传感器，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣. 重、难点1.几种常见传感器的工作原理（演示实验）；2.学生自己设计简单的传感器.教学策略用几个有趣的传感器实验引入课题，激发学生探究传感器原理的兴趣.给出“传感器就是把非电学量转换为电学量”的概念之后，重点介绍光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻.安排音乐茶杯和火警装置两个设计性问题让学生体会传感器的简单应用.结合电容、霍尔效应、电阻定律等知识让学生设计传感器，进一步深化传感器的工作原理.最后在对本节课总结的基础上，结合思考与讨论进行教学反馈.教 学 程 序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1.电容2霍尔元件3.滑动变阻器七课堂小结及课外研究性课题【演示实验1】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. 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，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？生答：（可能提出4种方案）师：投影出四种电容式传感器，并作原理的分析。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，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。师问：霍尔元件还可以有哪些方面的应用？师问：利用滑动变阻器的接入电路阻值与导线长度成正比的原理（电阻定律）可以制成什么样的传感器？ 生答：（学生可能分析不到位，可以作一些点拨）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，写成文字稿，下节课进行交流。（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）通过演示实验引入传感器概念，学生列举并讨论生活中的传感器实例，重点探究光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻的工作原理之后展开传感器应用设计活动，在对传感器的应用方案的总结基础上转入开发传感器的创新思维发展阶段，对本节课的教学思想进行质的升华。教 后 记教学内容及行为反思记录1、掌握了什么概念？训练了什么科学思维方法？培养 了什么科学情感？ 什么是传感器？传感器的工作原理；传感器的开发和应用对科技进步的深层次的意义。2、学生以什么方式主动参与了什么内容的研讨？学生彼此介绍生活中的传感器；学生自己设计音乐茶杯和火灾报警装置；学生根据传感器的工作原理自己开发传感器。3、课堂教学的节奏把握如何？有哪些具体的、好的师生情感交流体验？课堂教学流程主要的三个环节用时各占15分钟，基本符合课堂设计；本节课充分放手让学生介绍传感器、自学传感器的工作原理、自己设计应用传感器的适用电路、自己根据传感器工作原理开发传感器，体现了新课程的理念。4、课后提出了什么思考题？还遗留什么问题？计划作怎样的补救？ 研究性课题：向身边的内行人了解生活中有哪些传感器及其工作原理。§21集成传感器课 题§21集成传感器教学目的了解集成传感器的特点，传感器的集成教学重点传感器的集成教学资源多媒体教学课件，部分集成传感器实物教学手段多媒体课堂教学，实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入第二章 现代新型传感器新型传感器不仅追求高精度、大量程、高可靠性、低功耗和微型化，而且向着集成化、多功能和智能化方向发展。集成化可以使传感器降低成本、改善性能、提高可靠性、减小体积、接口灵活，智能化可以使传感器将“感知”和“认知”结合起来，起到人的五官感觉功能的作用。提纲挈领法概念分析§21 集成传感器一、大规模集成电路对传感器的影响1传感器向固体化、半导体化和集成化方向的发展2传感器制造工艺的革新3集成传感器的形成由上述几点可见，集成电路的大规模化不仅对传感器提出了集成化的要求，也为传感器的集成化提供了应用基础和技术基础。【图示】集成温度传感器【实物】部分集成传感器演示二、集成传感器的特点1成本低 2小型化 3改善性能4提高可靠性 5增加接口灵活性三、传感器的集成随着集成电路技术的发展，传感器可以和越来越多的信号处理电路制作在同一芯片上或封装在同一管壳内，这就是集成传感器。1各种调节电路和补偿电路与传感器集成如，电源电压调整电路、温度补偿电路等等。2信号放大和阻抗变换电路与传感器集成把信号放大电路和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对于改善信号的信噪比，抑制外来干扰的影响有很大的好处。3信号数字化电路与传感器集成除了把放大器与阻抗变换电路和传感元件集成在一起可以改善抗干扰特性之外，把模拟信号变换成数字信号也可以改善抗干扰能力。为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开关二种状态的输出以实现控制。4多传感器的集成把多个功能不同的传感器集成在一起，可以同时进行多个参数的测量。还可以对这些参数的测量结果进行综合处理，得到一个反映被测系统整体状态的参数。5信号发送和接收电路与传感器集成如能使用把信号发送电路和传感器集成在一起的集成传感器，那么测量系统的重量可以大大减轻，尺寸可以减小，给测量带来很多方便。概念推演法图例讲演法实物讲演法提纲挈领法概念推演法作业教材练习 21练习巩固法§22智能传感器课 题§22智能传感器教学目的1、了解智能传感器的特点2、熟悉智能传感器的技术途径教学重点智能传感器的技术途径教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入§22 智能传感器智能传感器的概念最初是美国宇航局（NASA）在开发宇宙飞船过程中形成的，宇宙飞船在太空中飞行时，需要知道它的速度、姿态和位置等数据。一般传感器只有对某一物体精确“感知”的本领，而不具有“认知”（智慧）的能力。智能传感器则可将“感知”和“认知”结合起来，起到人的五官感觉功能的作用。提纲挈领法概念分析一、智能传感器的定义及其功能美国宇航局的一些科学家认为智能传感器需要具备下列条件：由传感器本身消除异常值和例外值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息的功能；具有信号处理（例如包括温度补偿、线性化等）功能；随机整定和自适应功能；具有一定程度的存储、识别和自诊断功能；内含特定算法并可根据需要改变的功能。二、传感器智能化的技术途径1传感器和信号处理装置的功能集成化是实现传感器智能化的主要技术途径。这类传感器具有小型化、性能可靠、能批量生产、价廉等优点，因而，被认为是智能传感器的主要发展方向。2基于新的检测原理和结构，实现信号处理的智能化。由于传感器在不同频率下的灵敏度不同，势必造成分析上的失真。现在采用微机械加工技术，在硅片上制作出极其精细的沟、槽、孔、膜、悬臂梁、共振腔等，构成性能优异的微型传感器。3研制人工智能材料是当今实现智能传感器以及实现人工智能的最新手段和最新学科。人工智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料后的第四代功能材料。它有三个基本特征：能感知环境条件的变化（普通传感器的功能），进行自我判断（处理器功能）以及发出指令和自行采取行动（执行器功能）。【列表】几种智能材料的功能特征和应用概念推演法循序渐进法列表归纳法应用介绍三、智能传感器举例由上述内容可知，智能传感器是“电五官”与“微电脑”的有机结合，对外界信息具有检测、判断、自诊断、数据处理和自适应能力的集成一体化的多功能传感器。【举例1】二维自适应图像传感器，如图22所示。【举例2】利用大规模集成电路技术，将传感器和计算机集成在同一块硅片上，实现三维多功能的“单片智能传感器”，如图23所示。应用案例法概念分析四、智能传感器的发展前景1利用微电子学，使传感器和微处理器结合在一起实现各种功能的单片智能传感器，仍然是智能传感器的主要发展方向之一。2微结构(智能结构)是今后智能传感器重要发展方向之一。3利用生物工艺和纳米技术研制传感器功能材料，以此技术为基础研制分子和原子生物传感器是一门新兴学科，是21世纪的超前技术。4完善智能器件原理和智能材料的设计方法，也将是今后几十年极其重要的课题。提纲挈领法作业教材练习 23练习巩固法§23光纤传感器课 题§23光纤传感器教学目的1、熟悉光纤传感器的特点2、了解光纤传感器的应用教学重点光纤传感器的特点教学难点光纤传感器应用方面的具体光强度调制原理教学资源多媒体教学课件教学手段多媒体课堂教学教学过程及教学内容教学方法引入§23光纤传感器光纤传感器具有一系列传统传感器无可比拟的优点，如：灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防燃防爆、适于远距离传输、便于与计算机连接以及与光纤传输系统组成遥测网等。目前已研制出测量位移、速度、压力、液位、流量和温度等各种物理量的光纤传感器。提纲挈领法概念分析一、光纤的结构光纤一般为圆柱形结构，由纤芯、包层和保护层组成。二、光纤传感器的原理及分类光纤传感器以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维（简称光纤）、光检测器和附加装置等组成。按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化的一种光纤传感器。传光型光纤传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化一种光纤传感器，传光型光纤传感器则仅起传输光信号作用，所以也称为非功能型光纤传感器。三、光纤传感器的特点不受电磁场的干扰；绝缘性能高；防爆性能好，耐腐蚀；导光性能好；光纤细而柔软概念推演法总结归纳法应用介绍四、光纤传感器的应用举例光纤传感器的应用但都离不开光的调制和解调两个环节。常用的光调制有强度调制、相位调制、频率调制及偏振调制等几种。下面以光纤压力传感器为例简要说明光纤传感器的应用。光纤传感器中光强度调制的基本原理可简述为以被测对象所引起的光强度变化，来实现对被测对象的检测。例如：按光强度调制原理制成的光纤压力传感器。其原理为：(1)被测力作用于膜片，膜片感受到被测力而向内弯曲，使棱镜与光吸收层之间的气隙发生改变。(2)气隙发生改变引起棱镜界面上全内反射的局部破坏，造成一部分光离开棱镜的上界面，进入吸收层并被吸收，致使反射回接收光纤的光强减小。(3)用桥式光接收器检测光纤内反射光强度的改变。(4)桥式光接收器输出信号的大小只与光纤和膜片间的距离和膜片的形状有关。应用案例法图示分析法作业教材练习 26练习巩固法专心-专注-专业