高中二年级下学期物理《常见传感器的工作原理及应用（霍尔传感器）》教学设计

7/7常见传感器的工作原理及应用（霍尔传感器）【教学目标】1、物理观念：知道霍尔传感器的工作原理及应用，了解霍尔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：通过对霍尔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：通过对霍尔传感器结构的观察、思考和探究,让学生在了解霍尔传感器、熟悉霍尔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：体会霍尔传感器在生活、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】了解霍尔传感器的不同类型和具体应用。【教学难点】知道霍尔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．介绍霍尔传感器工作原理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。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。师生共析:由上式看,一个霍尔元件的厚度d、k为定值,若保持I恒定,则UH的变化就与B成正比。也就是说:霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。因此,我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中,通过测定霍尔电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，2．介绍霍尔元件的结构和基本电路：3．介绍霍尔元件的主要特性参数U当磁场和环境温度一定时:霍尔电势与控制电流I成正比；当控制电流和环境温度一定时:霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比；当环境温度一定时:输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比；测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。(1)输入电阻和输出电阻输入电阻：控制电极间的电阻输出电阻：霍尔电极之间的电阻(2)额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值4．介绍霍尔元件误差及补偿：主要介绍温度引起的误差（1）温度误差产生原因：霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。（2）如何减小霍尔元件的温度误差：选用温度系数小的元件、采用恒温措施、采用恒流源供电。大多数霍尔元件的温度系数α是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+α△t）倍。同时，让控制电流I相应地减小，能保持KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。5．介绍霍尔式传感器的应用优点:结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。（1）磁场的测量：在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器（2）微位移和压力的