傳感器教學(xué)初探

趙海泳

（開(kāi)平體育運(yùn)動(dòng)學(xué)校，河北 唐山 063000）

傳感器是指能將所感受到的物理量（如力、熱、光、聲化學(xué)成分等）轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量（一般是電學(xué)量如電壓、電流等）的一類元件，其工作過(guò)程是通過(guò)對(duì)某一物理量敏感的元件將感受到的信號(hào)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于利用的信號(hào)，其工作模式如圖1所示：

圖1

傳感器可以根據(jù)其利用的元件進(jìn)行分類（如電容傳感器、電阻傳感器等），也可以按其轉(zhuǎn)換的信號(hào)來(lái)分類（如光電、熱電傳感器等）。教材（人教版3-2）的安排如下：先介紹光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件，然后是傳感器的應(yīng)用。在教學(xué)實(shí)際中，筆者根據(jù)傳感器的分類采用模塊教學(xué)的方式，即根據(jù)傳感器分類進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)的效果也很不錯(cuò)，下面就是根據(jù)筆者的教學(xué)實(shí)際所做的教學(xué)探索。

1 熱電傳感器

熱電傳感器是指將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一類傳感器，一般有兩類：一類是隨溫度變化引起傳感器中某個(gè)組件形狀的變化（如熱脹冷縮）而達(dá)到轉(zhuǎn)換信號(hào)的目的；還有一類是隨溫度變化引起電阻的變化（如半導(dǎo)體材料中熱敏電阻隨溫度升高電阻減?。┻_(dá)到轉(zhuǎn)換信號(hào)的目的。在教學(xué)中要重點(diǎn)介紹雙金屬片和熱敏電阻的特點(diǎn)以及它們的應(yīng)用（電熨斗和高溫報(bào)警器原理），然后給學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)際問(wèn)題要求學(xué)生自主選擇器材設(shè)計(jì)恒溫箱工作電路和電路保護(hù)開(kāi)關(guān)。（培養(yǎng)學(xué)生自主探究和實(shí)際操作能力）最后介紹特殊的一類熱電傳感器是高溫鐵氧體，即當(dāng)物體的溫度達(dá)到103℃時(shí)失去磁性，典型的應(yīng)用就是電飯煲。（課本3-2，59頁(yè)）

2 光電傳感器

光電傳感器是指將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，一般以光敏電阻為主要元件，因?yàn)楣饷綦娮桦娮柚惦S光照加強(qiáng)而減小，將光敏電阻連接到電路中時(shí)，光照改變就會(huì)引起電路中其它電學(xué)量的改變，從而將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。教學(xué)中簡(jiǎn)單介紹光敏電阻的特性以及產(chǎn)生這種特性的原因，要求學(xué)生會(huì)用簡(jiǎn)單的電學(xué)元件設(shè)計(jì)光控電路。電路如圖所示：

圖2

圖3

圖4

其中圖2是常見(jiàn)的利用電磁繼電器設(shè)計(jì)光控電路，這是對(duì)初中物理知識(shí)一個(gè)典型回顧，近幾年高考中多有出現(xiàn)。而根據(jù)圖4設(shè)計(jì)光控電路，要用到邏輯電路中的非門(mén)電路。有些學(xué)生選修了人教版3-1的邏輯電路能夠熟悉非門(mén)電路的特點(diǎn)，針對(duì)沒(méi)有選修3-1的學(xué)生在教學(xué)中要演示斯密特觸發(fā)器的特點(diǎn)，加深理解非門(mén)電路的作用。然后重點(diǎn)介紹光電傳感器的另一個(gè)重要應(yīng)用-火災(zāi)報(bào)警器。（課本3-2，61頁(yè)）。同時(shí)準(zhǔn)備幾個(gè)廢棄不用的機(jī)械式鼠標(biāo)拆卸讓學(xué)生認(rèn)識(shí)其中的結(jié)構(gòu)，然后介紹其工作原理。（課本3-2，61頁(yè)）

3 力電傳感器

力電傳感器是將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器。主要有壓敏電阻（壓力增大電阻增大）、應(yīng)變片（電子稱工作原理）和電容變化等幾中形式。課本上著重介紹了電子稱的工作原理即應(yīng)變片這類力電傳感器，但是在高考中常見(jiàn)的還是壓敏電阻的形式居多，所以教學(xué)中要引入這種類型。如圖3所示是一種電子稱的工作原理圖：當(dāng)踏板上的壓力變化時(shí)引起壓敏電阻的變化，因此電路中的電流發(fā)生變化，通過(guò)電流的變化可以顯示壓力的數(shù)值。另外還有根據(jù)電容變化的制成的力電傳感器：壓力變化引起電容變化（主要是電容器兩極板間距離的變化）進(jìn)而引起電容器上的電荷量的變化，在電路中形成電流，把壓力轉(zhuǎn)換成可以測(cè)量的電流來(lái)顯示。當(dāng)然在電容傳感器中還有一種可以測(cè)量溶液高度的形式，是兩極板正對(duì)面積的變化引起電容的改變，但這種不是力電傳感器了，在教學(xué)中應(yīng)該做些介紹。

4 聲電傳感器

聲電傳感器是指將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類傳感器，常見(jiàn)的電容式話筒和動(dòng)圈式話筒都是聲電傳感器。動(dòng)圈式話筒時(shí)利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)變；電容式是利用聲音信號(hào)改變?cè)捦驳碾娙輥?lái)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，這兩種傳感器的工作原理是學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁學(xué)中接觸到的，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，我個(gè)人認(rèn)為由學(xué)生分析工作原理效果好些。另外動(dòng)圈式話筒結(jié)合實(shí)物演示的效果最好。

5 其他傳感器

重點(diǎn)介紹利用霍爾效應(yīng)制成的霍爾原件，在教學(xué)中要利用帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的受力來(lái)推導(dǎo)霍爾原件的工作原理和霍爾系數(shù)。同時(shí)給出2009年北京和遼寧高考題涉及到霍爾效應(yīng)的流量計(jì)和血流計(jì)的介紹。

圖5

1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾觀察到，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中放置一個(gè)矩形截面的載流導(dǎo)體，當(dāng)磁場(chǎng)方向與電流方向垂直時(shí)，導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢(shì)差。人們把這樣的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差叫霍爾電壓。人們利用霍爾效應(yīng)做成了霍爾元件。如圖，霍爾元件是在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體（例如砷化銦）薄片上，制作4個(gè)電極E、F、M、N而成。若在E、F間通入恒定的電流I，同時(shí)外加與薄片垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B，薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使M、N間出現(xiàn)電壓UH。這個(gè)電壓叫霍爾電壓，其決定式為UH=k式中d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。

當(dāng)然，以上僅是筆者教學(xué)中一點(diǎn)膚淺的認(rèn)識(shí)，隨著教學(xué)的深入對(duì)傳感器的教學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)上也會(huì)有所突破，希望同行們指正和幫助。

[1]楊鵬，常鳴，黃亞忠.傳感器原理及應(yīng)用，研究性教學(xué)實(shí)踐與思考[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2008-10-15.

[2]寧小波，楊漢生，朱仁義.傳感器與檢測(cè)技術(shù)的教學(xué)改革探索[M].巢湖學(xué)院學(xué)報(bào)，2009-11-25.