传感器教学初探

赵海泳

（开平体育运动学校，河北 唐山 063000）

传感器是指能将所感受到的物理量（如力、热、光、声化学成分等）转换成便于测量的量（一般是电学量如电压、电流等）的一类元件，其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定规律转换成便于利用的信号，其工作模式如图1所示：

图1

传感器可以根据其利用的元件进行分类（如电容传感器、电阻传感器等），也可以按其转换的信号来分类（如光电、热电传感器等）。教材（人教版3-2）的安排如下：先介绍光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件，然后是传感器的应用。在教学实际中，笔者根据传感器的分类采用模块教学的方式，即根据传感器分类进行教学，教学的效果也很不错，下面就是根据笔者的教学实际所做的教学探索。

1 热电传感器

热电传感器是指将温度信号转换成电信号的一类传感器，一般有两类：一类是随温度变化引起传感器中某个组件形状的变化（如热胀冷缩）而达到转换信号的目的；还有一类是随温度变化引起电阻的变化（如半导体材料中热敏电阻随温度升高电阻减小）达到转换信号的目的。在教学中要重点介绍双金属片和热敏电阻的特点以及它们的应用（电熨斗和高温报警器原理），然后给学生设计实际问题要求学生自主选择器材设计恒温箱工作电路和电路保护开关。（培养学生自主探究和实际操作能力）最后介绍特殊的一类热电传感器是高温铁氧体，即当物体的温度达到103℃时失去磁性，典型的应用就是电饭煲。（课本3-2，59页）

2 光电传感器

光电传感器是指将光信号转换为电信号的一类传感器，一般以光敏电阻为主要元件，因为光敏电阻电阻值随光照加强而减小，将光敏电阻连接到电路中时，光照改变就会引起电路中其它电学量的改变，从而将光信号转换为电信号。教学中简单介绍光敏电阻的特性以及产生这种特性的原因，要求学生会用简单的电学元件设计光控电路。电路如图所示：

图2

图3

图4

其中图2是常见的利用电磁继电器设计光控电路，这是对初中物理知识一个典型回顾，近几年高考中多有出现。而根据图4设计光控电路，要用到逻辑电路中的非门电路。有些学生选修了人教版3-1的逻辑电路能够熟悉非门电路的特点，针对没有选修3-1的学生在教学中要演示斯密特触发器的特点，加深理解非门电路的作用。然后重点介绍光电传感器的另一个重要应用-火灾报警器。（课本3-2，61页）。同时准备几个废弃不用的机械式鼠标拆卸让学生认识其中的结构，然后介绍其工作原理。（课本3-2，61页）

3 力电传感器

力电传感器是将力信号转换为电信号的一类传感器。主要有压敏电阻（压力增大电阻增大）、应变片（电子称工作原理）和电容变化等几中形式。课本上着重介绍了电子称的工作原理即应变片这类力电传感器，但是在高考中常见的还是压敏电阻的形式居多，所以教学中要引入这种类型。如图3所示是一种电子称的工作原理图：当踏板上的压力变化时引起压敏电阻的变化，因此电路中的电流发生变化，通过电流的变化可以显示压力的数值。另外还有根据电容变化的制成的力电传感器：压力变化引起电容变化（主要是电容器两极板间距离的变化）进而引起电容器上的电荷量的变化，在电路中形成电流，把压力转换成可以测量的电流来显示。当然在电容传感器中还有一种可以测量溶液高度的形式，是两极板正对面积的变化引起电容的改变，但这种不是力电传感器了，在教学中应该做些介绍。

4 声电传感器

声电传感器是指将声音信号转换为电信号的一类传感器，常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感器。动圈式话筒时利用电磁感应现象实现声音信号与电信号的转变；电容式是利用声音信号改变话筒的电容来转换成电流信号，这两种传感器的工作原理是学生在学习电磁学中接触到的，相对比较简单，我个人认为由学生分析工作原理效果好些。另外动圈式话筒结合实物演示的效果最好。

5 其他传感器

重点介绍利用霍尔效应制成的霍尔原件，在教学中要利用带电粒子在磁场中运动的受力来推导霍尔原件的工作原理和霍尔系数。同时给出2009年北京和辽宁高考题涉及到霍尔效应的流量计和血流计的介绍。

图5

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UH=k式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

当然，以上仅是笔者教学中一点肤浅的认识，随着教学的深入对传感器的教学规律认识上也会有所突破，希望同行们指正和帮助。

[1]杨鹏，常鸣，黄亚忠.传感器原理及应用，研究性教学实践与思考[J].中国现代教育装备，2008-10-15.

[2]宁小波，杨汉生，朱仁义.传感器与检测技术的教学改革探索[M].巢湖学院学报，2009-11-25.