高中二年级下学期物理《常见传感器的工作原理及应用（光电传感器）》教学设计

7/7常见传感器的工作原理及应用（光电传感器）【教学目标】1、物理观念：知道传感器中常见的几种敏感元件:光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片和霍尔元件。知道光电传感器的工作原理及应用，了解光电传感器的不同类型和具体应用，体会物理观念产生的过程。2、科学思维：通过对光电传感器的原理和应用的分析，体会物理模型在探索自然规律中的作用和其在实际中的应用。3、科学探究：通过对光电传感器结构的观察、思考和探究,让学生在了解光电传感器、熟悉光电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。培养学生实验探求知识的意识，增强求知欲望。4、科学态度与责任：体会光电传感器在生活、生产、科技领域的种种益处,激发学生的学习兴趣,拓展学生的知识视野,并加强物理与实际的联系，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】知道传感器中常见的几种敏感元件:光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片和霍尔元件。了解光电传感器的不同类型和具体应用。【教学难点】知道光电传感器的工作原理及应用。【教学过程】一、复习旧知1．传感器:能像人的感觉器官那样感受外界信息,并能按照一定的规律和要求把这些信息转换成可用输出信息的器件或装置。2．传感器的种类:电阻式传感器、光电式传感器、压电式传感器、电容式传感器、电感式传感器、半导体式传感器、热电偶式传感器3．传感器的基本部分:敏感元件、转换元件敏感元件:能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。转换元件:能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。那么,常见的传感器是怎样感知非电学量,并将其转换为电学量的呢?利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢?二、学习新知1．介绍光电传感器原理：光电传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电元件转换成电信号的传感器，其理论基础是光电效应，即物体吸收到光子能量后产生的电效应。光电效应分为三大类。（1）外光电效应在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电子发射效应。此类光电元器件主要有光电管、光电倍增管，它属于真空光电元件。（2）内光电效应在光线作用下能使物体电阻率变化的现象称为内光电效应，又叫做光电导效应。此类光电元器件有光敏电阻，它属于半导体光电元件。（3）光生伏特效应又称阻挡层光电效应，是指在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。此类光电元器件主要有光电池和光电晶体管等，它属于半导体光电元件。2．介绍常用光电元器件的分类：常用光电元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电管和光电倍增管。（1）光敏电阻光敏电阻是一种没有极性的纯电阻元件。其原理和外形如下图所示。光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，一般是兆欧数量级。光敏电阻在某一光照下的阻值称为该光照下的亮电阻，一般为几千欧姆。流过暗电阻的电流称为暗电流，流过亮电阻的电流称为亮电流，光电流是亮电流与暗电流之差。然后介绍光敏电阻的缺点：当温度升高时，光电阻的暗阻下降，暗电流增大，灵敏度下降（2）光电池、光敏二极管、光敏三极管光电池是一种直接将光能转换成电能的光电元件。它有个大面积的P-N结，当光照射时，半导体内原子受激发而生成电子-空穴对，通常把这种由光生成的电子-空穴对叫做光生载流子。它们在P-N结电场的作用下，使P区带正电，N区带负电，两端产生了电势，若用导线连接，就有电流通过，如下图所示。然后简单介绍一下光敏二极管，再介绍光敏三极管的放大效应：光敏三极管有两个P-N结，其灵敏度比光敏二极管高。它的基本电路如下图所示。（3）光电管、光电倍增管光电管和光电倍增管是利用外光电效应的光电元件。光电管由真空玻璃管、光电阴极K和光电阳极A组成。当一定频率的光照射到光电阴极上时，光电阴极吸收了光子的能量便有电子逸出而形成光电子，这些光电子被具有正电位的阳极所吸引，因而在光电管内便形成定向空间电子流，下图即为光电管，就着图片介绍结构。因光电管的灵敏度较低，在微光测量中无法有显著数据，引出光电倍增管，然后介绍其结构特点：光电倍增管的结构特点是在光电阴极和阳极之间增加了若干个光电倍增极D，如图所示，且外加电位逐级升高，因而逐级产生二次电子发射而获得倍增光电子，使得最终到达阳极的光电子数目猛增。通常光电倍增管的灵敏度比光电管要高出几万倍，在微光下就可产生可观的电流，因此在使用时应注意避免强光照射而损坏光电阴极。3．介绍常用光电传感器的具体应用及其结构：光电开关和光电断续器（1）光电开关根据光线的走向，光电开关分为两类：直射型和反射型。下图所示为直射型光电开关，这种光电开关的发射器和接收器相对安放在一条轴线上。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器因接收不到红外线而产生一个电脉冲信号。这种光电开关检测距离最长可达几十米。反射型传感器又分为反射镜反射和被测物漫反射（又称散射型），反射镜型传感器单侧安装，根据被测物体的距离调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果，它的检测距离不如直射型，一般为几米。散射型光敏接收元件接收的是漫反射光线，其安装最方便，但检测距离更小，只有几百毫米。（2）光电断续器光电断续器的工作原理与光电开关相同，结构上将光电发射器、光电接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，所以不需要调整安装位置。光电断续器也可分为直射型和反射型两种，如下图所示。直射型的槽宽、槽深和其光敏元件有系列化产品可供选择。反射型的检测距离较小，多用于安装在空间较小的场合。（3）光电传感器应用实例光电传感器属于非接触测量传感器，具有结构简单、可靠性高、精度高、反应快和使用方便等特点。随着新光源、新光电元器件的不断出现，光电传感器越来越广泛应用于检测和控制领域中，常用来进行烟雾、浊度、转速等的检测。例如：反射式烟雾报警检测器。反射式烟雾报警检测器如图所示。图中，灯的作用是作为