传感器在实验探究中的应用

◇江苏吴长标1蒋天林2(特级教师)

传感器是生活和生产中各种测量、控制所不可缺少的元件,体现了它对科学、技术与社会的密切关系．在教学中侧重于物理原理的理解和传感器在技术中的应用,让学生通过实验的观察,了解传感器的工作原理和在生活和生产中的基本应用．用传感器进行的实验探究活动,其突出的优点是能测出不易测出的物理量．我们在高二新课程物理教学中,师生共同设计和制作了各式控制装置,引发了学生很大的探索兴趣,突破了“传感器”新增内容的教学难点,取得了极佳的教学效果．下面以霍耳元件为例加以说明.霍耳元件是一个四端元件,其中两端为输入控制电流,另两端为输出霍尔电压,可用电压表来检测．

1工作原理

在教学中侧重于让学生理解霍耳元件的物理原理,为进一步实验探究和实验设计奠定理论基础．

图1

2实验探究

通过霍耳元件传感器实验的具体操作,让学生了解霍耳元件的工作原理及在生活、生产中的实际应用,达到从生活走向物理,从物理走向社会的效果．

图2

(1) 某研究学习小组的同学用霍耳元件测量某地磁感应强度,准备的仪器有电源E、滑动变阻器,电流表和电压表．请根据所给的器材,在实物图3上连线．

图3　　　　　　　　　图4

(2) 为了较准确地测量出该地的磁感应强度,该同学把霍耳元件的BD端通过数据采集器连接到计算机中,用计算机自动读出霍耳电压的大小．因为不知道该处磁场的方向,该同学随意转动霍耳元件,在计算机中得出的图象如图4所示．则同学随意转动霍耳元件的目的是________．

(3) 已知霍耳元件的霍耳系数k=2.0×102V·m·AT-1,d=1 mm,通过的电流恒为I=2 μA,则该地的磁感应强度为B=________．

图5

(1) 实物连线(滑动变阻器限流分压接法均可)如图5所示.

(2) 使磁感应强度B和电流I垂直,且平行于宽度为d的边,此时霍耳电压最大．

3实验设计

以霍耳元件传感器为载体,让学生经历科学探究过程,理解物理规律,构建物理概念,达到学以致用的效果．

例2当前大量使用的磁敏器件是霍耳元件与集成电路制在一起的磁传感器,它有以下2种:

(1) 一种是“线性”的．它是将霍耳元件和放大器集成在一个芯片内,其输出的电压与感受到的磁感应强度成正比地连续变化．请你提出一种方案,利用它来测量线圈电流的大小．

(2) 另一种叫作“开关型”的,当磁场到一定程度时它才会输出高电平,而在磁场弱到一定程度时输出低电平(或者相反),也就是说,它只能在高、低电平之间跃变．请你提出一种方案,利用它来测量物体的转速．

(1) 设计方案如图6所示．在C形软铁芯1上绕制线圈2,霍耳传感器3置入铁芯的间隙中,并与数字毫伏表4相连．线圈中通入的待测电流I越强,铁芯间隙中的磁场强度就越大,则传感器输出的电压越大,即输出的电压U正比于线圈的电流I,通过输出电压可测量线圈电流的大小．

图6

图7