傳感器教學初探

趙海泳

（開平體育運動學校，河北 唐山 063000）

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

圖1

傳感器可以根據其利用的元件進行分類（如電容傳感器、電阻傳感器等），也可以按其轉換的信號來分類（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，然后是傳感器的應用。在教學實際中，筆者根據傳感器的分類采用模塊教學的方式，即根據傳感器分類進行教學，教學的效果也很不錯，下面就是根據筆者的教學實際所做的教學探索。

1 熱電傳感器

熱電傳感器是指將溫度信號轉換成電信號的一類傳感器，一般有兩類：一類是隨溫度變化引起傳感器中某個組件形狀的變化（如熱脹冷縮）而達到轉換信號的目的；還有一類是隨溫度變化引起電阻的變化（如半導體材料中熱敏電阻隨溫度升高電阻減小）達到轉換信號的目的。在教學中要重點介紹雙金屬片和熱敏電阻的特點以及它們的應用（電熨斗和高溫報警器原理），然后給學生設計實際問題要求學生自主選擇器材設計恒溫箱工作電路和電路保護開關。（培養學生自主探究和實際操作能力）最后介紹特殊的一類熱電傳感器是高溫鐵氧體，即當物體的溫度達到103℃時失去磁性，典型的應用就是電飯煲。（課本3-2，59頁）

2 光電傳感器

光電傳感器是指將光信號轉換為電信號的一類傳感器，一般以光敏電阻為主要元件，因為光敏電阻電阻值隨光照加強而減小，將光敏電阻連接到電路中時，光照改變就會引起電路中其它電學量的改變，從而將光信號轉換為電信號。教學中簡單介紹光敏電阻的特性以及產生這種特性的原因，要求學生會用簡單的電學元件設計光控電路。電路如圖所示：

圖2

圖3

圖4

其中圖2是常見的利用電磁繼電器設計光控電路，這是對初中物理知識一個典型回顧，近幾年高考中多有出現。而根據圖4設計光控電路，要用到邏輯電路中的非門電路。有些學生選修了人教版3-1的邏輯電路能夠熟悉非門電路的特點，針對沒有選修3-1的學生在教學中要演示斯密特觸發器的特點，加深理解非門電路的作用。然后重點介紹光電傳感器的另一個重要應用-火災報警器。（課本3-2，61頁）。同時準備幾個廢棄不用的機械式鼠標拆卸讓學生認識其中的結構，然后介紹其工作原理。（課本3-2，61頁）

3 力電傳感器

力電傳感器是將力信號轉換為電信號的一類傳感器。主要有壓敏電阻（壓力增大電阻增大）、應變片（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變片這類力電傳感器，但是在高考中常見的還是壓敏電阻的形式居多，所以教學中要引入這種類型。如圖3所示是一種電子稱的工作原理圖：當踏板上的壓力變化時引起壓敏電阻的變化，因此電路中的電流發生變化，通過電流的變化可以顯示壓力的數值。另外還有根據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，把壓力轉換成可以測量的電流來顯示。當然在電容傳感器中還有一種可以測量溶液高度的形式，是兩極板正對面積的變化引起電容的改變，但這種不是力電傳感器了，在教學中應該做些介紹。

4 聲電傳感器

聲電傳感器是指將聲音信號轉換為電信號的一類傳感器，常見的電容式話筒和動圈式話筒都是聲電傳感器。動圈式話筒時利用電磁感應現象實現聲音信號與電信號的轉變；電容式是利用聲音信號改變話筒的電容來轉換成電流信號，這兩種傳感器的工作原理是學生在學習電磁學中接觸到的，相對比較簡單，我個人認為由學生分析工作原理效果好些。另外動圈式話筒結合實物演示的效果最好。

5 其他傳感器

重點介紹利用霍爾效應制成的霍爾原件，在教學中要利用帶電粒子在磁場中運動的受力來推導霍爾原件的工作原理和霍爾系數。同時給出2009年北京和遼寧高考題涉及到霍爾效應的流量計和血流計的介紹。

圖5

1879年美國物理學家霍爾觀察到，在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導體，當磁場方向與電流方向垂直時，導體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現了電勢差。人們把這樣的現象稱為霍爾效應，所產生的電勢差叫霍爾電壓。人們利用霍爾效應做成了霍爾元件。如圖，霍爾元件是在一個很小的矩形半導體（例如砷化銦）薄片上，制作4個電極E、F、M、N而成。若在E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的勻強磁場B，薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發生偏轉，使M、N間出現電壓UH。這個電壓叫霍爾電壓，其決定式為UH=k式中d為薄片的厚度，k為霍爾系數，它的大小與薄片的材料有關。

當然，以上僅是筆者教學中一點膚淺的認識，隨著教學的深入對傳感器的教學規律認識上也會有所突破，希望同行們指正和幫助。

[1]楊鵬，常鳴，黃亞忠.傳感器原理及應用，研究性教學實踐與思考[J].中國現代教育裝備，2008-10-15.

[2]寧小波，楊漢生，朱仁義.傳感器與檢測技術的教學改革探索[M].巢湖學院學報，2009-11-25.