中学物理传感器示教版设计探讨

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摘要:传感器示教板包括传感器模块、排针座、排针、拨码开关、三极管、继电器、蜂鸣器。通过两个组合拨码开关的设计使4路传感器输出信号可分别控制不同的电路，使学生方便地观察不同传感器的不同控制效果。设计的传感器教学示教板通过演示的方式探讨在有限的时间使学生理解和掌握传感器的基本原理和应用。解决中学物理传感器教学难度大、学时少、高考又有一定的要求的难题。示教板的制作可作为物理专业、电信专业大学生实习、实训项目，可培养大学生的动手能力、思维能力和创新能力。

关键词:传感器;拨码开关;演示

传感器在中学物理教学中有一定的章节要求，在高考中涉及的分数较少，其工作原理相对中学生而言难度较大，因此传感器的教学是中学物理教学的一个难点而非重点内容。如何用少量的学时使学生掌握传感器的工作原理与应用是中学物理教师较为头疼的一个问题，本文设计了一个中学物理传感器示教板，通过对光敏传感器、热敏传感器、电容位移传感器、霍尔传感器等传感器的演示，可以加深学生对传感器工作原理的理解，有利于学生掌握传感器的基本应用。示教板的制作可作为物理专业、电信专业大学生实习、实训项目，可培养大学生的动手能力、思维能力［1－2］和创新能力［3－4］。

1几种传感器的基本原理

传感器可以把不易测量的量转换为容易测量的量，因为电学量具有容易保存、传输、处理、显示等优点，所以经典的传感器通常是把非电学量转换为电学量。中学物理教学中涉及到的传感器主要有光敏传感器、热敏传感器、电容位移传感器、霍尔传感器等。光敏传感器［5－6］主要是光敏电阻或光敏三极管。光敏电阻、光敏三极管的原理有光电导效应和光生伏特效应，光电导效应是在光线作用下，电子吸收光子能量从束缚状态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率变化;光生伏特效应是在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。热敏电阻［7］是半导体的电阻值随温度变化的一种热敏元件，通常由一些金属氧化物采用不同比例的配方，经高温烧结而成。热敏电阻有三种:负电阻温度系数热敏电阻、正电阻温度系数热敏电阻和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻。热敏电阻电阻温度系数大，灵敏度高，结构简单。但它的阻值与温度变化呈非线性，且稳定性较差。霍尔传感器［8－9］利用霍尔效应产生电动势。霍尔效应是指置于磁场中的静止载流导体，当通过导体的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，该电动势称霍尔电势，半导体薄片称为霍尔元件。

2传感器输出电路

传感器厂家通常将传感器的敏感元件集成在一起作成传感器集成模块，中学物理中涉及到的集成传感器模块如图1所示，图中所示模块分别为光敏电阻模块、热敏电阻模块、光电传感器模块、霍尔传感器模块。传感器模块通常有3个或4个管脚，一个为电源Vcc，一个为GND，一个为数字信号输出DO，4个管脚的传感器模块还有一个模拟信号输出管脚AO。图1集成传感器模块传感器模块的内部电路如图2所示，以光电传感器模块为例，电源电压为5伏，光电管的输入端为一个发光二极管，它串接一个1K的保护电阻接电源两端，光电管的输出端为一个光敏三极管，它串接一个10K的分压电阻接电源两端，其分压值送入比较器的同向输入端，10K的固定电阻和可变电阻分压值送入比较器的反向输入端，比较结果输出数字信号DO，光敏三极管上直接输出模拟信号AO。有物体遮挡光敏三极管时，光敏三极管阻值变大，送入比较器同向输入端的电压值变大，输出数字信号DO为高电平。

3传感器示教板电路设计

传感器示教板电路如图3所示，传感器示教板电路包括传感器模块、排针座、排针、拨码开关、三极管、继电器、蜂鸣器等。排针座、排针、拨码开关、三极管、继电器、蜂鸣器焊接在万能板上，排针座有4组，可以插拔4个传感器模块，排针座和排针对应管脚相连，排针通过插拔杜邦线进行电路连接或信号测试，拨码开关有两个，前一个用于信号的4选1，后一个可把信号分为2路，一路信号可通过继电器控制发光二极管［10］，另一路信号可通过继电器控制蜂鸣器，可以设计多路信号，比如控制电动机、数码管等。图3传感器示教板电路焊接好的传感器示教板实物如图4所示，演示时，根据教学内容可在排针座上面插入4个不同类型的传感器，通过前一个4选1拨码开关可以方便地选取不同传感器的输出信号，通过后一个拨码开关可以方便地把信号送入不同控制电路，观察不同传感器的不同控制效果。根据教学需要，可以演示控制LED灯或是蜂鸣器。电路还可以进行拓展，例如增加传感器控制电动机、风扇、数码管等环节。图4传感器示教板实物。

4结语

中学物理传感器教学现状是难度大，学时少，高考又有一定的要求，设计的传感器教学示教板通过演示的方式探讨通过有限的时间使学生理解和掌握传感器的基本原理和应用。通过两个组合拨码开关的设计使4路传感器输出信号可分别控制不同的电路，使学生方便地观察不同传感器的不同控制效果。示教板的制作可作为物理专业、电信专业大学生实习、实训项目，可培养大学生的动手能力、思维能力和创新能力。

作者：孙福玉 单位：赤峰学院 物理与电子信息工程学院