Датчики та сенсори фізичних величин

План-конспект заняття

Дата та час проведення – 21 січня 2017р. 9:00-11:00.

Кількість дітей – 17

Група 1 року основного рівня навчання.

Тема:  Датчики та сенсори фізичних величин.

Мета заняття:

1)                     Навчальна:

• Перевірити рівень сформованості в учнів основних понять теми, умінь систематизувати знання з теми, збирати електричні ланцюги;

• Дати основні поняття методів вимірювання фізичних величин. Пояснити учням способи, види та методи вимірювання як електричних так і неелектричних фізичних величин.

• Засвоїти основні поняття нової теми;

• Розібратися в принципі вимірювання неелектричних величин;

• Ознайомитися з існуючими сучасними типами датчиків; вивчити пристрій фотоелектричного, резистивного і термоелектричного датчиків;

• Набути в учнів знань вимірювання електричних величин за допомогою електровимірювальних приладів та неелектричних величин за допомогою сенсорів.

2)                     Розвиваюча:

• Розвивати інформаційні компетенції учнів;

• Продовжити розвиток техніки запам'ятовування навчального матеріалу;

• Розвивати навички пошуку самостійних рішень;

• Розвивати уміння спілкуватися під час роботи в групі (комунікативні компетенції).

3)                     виховна:

• Привчати дітей до самоосвіти з використанням різних джерел інформації;

• Виховувати почуття відповідальності за виконання даного обсягу роботи.

• Формувати у учнів уважності, активності, основ наукового світогляду, вміння працювати та взаємодіяти з колегами (колективом однолітків, групою, вчителем).

Тип заняття: комбінований.

Методи: проблемний виклад, метод проектів та творчих завдань.

Форми: фронтальна, групова, індивідуальна.

Засоби та технічне забезпечення: набір вимірювальних приладів, зразки датчиків, комп’ютер, навчальна література, ресурси Інтернет.

Структура заняття

I.                       Організаційна частина.

Вчитель вітається з групою, перевіряє готовність до уроку, повідомляє тему і мету уроку.

II.     Вивчення нового матеріалу

Завдання етапу: забезпечення сприйняття, осмислення, формування інтересу до теми, що вивчається.

1) Актуалізація знань учнів

Ми з вами за попередні заняття дізналися багато про радіодеталі та принципи вимірювання електричних сигналів. Що саме? (які прилади призначені для вимірювання в колах постійного струму, а які - змінного; способи включення приладів в ланцюг; системи приладів; що таке аналогові прилади і т.д.

2) Створення проблемної ситуації:

А чи всі фізичні величини ми зможемо виміряти за допомогою приладів?

(Учні відповідають свої міркування з цього приводу).

Як можливо виміряти температуру, тиск, рівень освітлення електричними засобами?

Сьогодні ми постараємося знайти відповіді на ці питання.

I етап (підготовчий):

Завдання етапу: залучення учнів в активний пізнавальний процес, формування проектувальної компетенції, забезпечення первинного запам'ятовування знань.

Для вимірювання будь яких фізичних величин електричними засобами необхідно мати вимірювальні перетворювачі досліджуваної величини в електричну. Переважно фізичні величини перетворять в частоту, напругу або струм.

Вимірювальні перетворювачі (датчики) фізичних величин діляться на параметричні та генераторні.

Прикладом генераторного датчика є термопара (датчик температури), параметричного - датчик рівня бензину в автомобілі, датчик рівня звуку.

II етап (вивчення нового матеріалу):

Завдання етапу: розвиток вміння учнів сприймати нову інформації, запам’ятовувати її, робити критичні висновки.

Фі­зична величина — це властивість, спільна в якісному відношенні для ба­гатьох фізичних об'єктів і індивідуальна в кількісному відношенні для кожного з них. На підставі законів фізики можна виражати одні фізичні величини через інші. Отже, можна побудувати систему фізичних величин, у якій всі фізичні величини поділяються на основні та похідні.

Основними називаються фізичні величини, прийняті незалежними в да­ній системі від інших фізичних величин.

Похідні фізичні величини, що входять у систему, визначаються через основні фізичні величини.

Основні фізичні величини у системі СІ такі: довжина, час, маса, елек­тричний струм, температура, кількість речовини, та ін.

Одиниця фізичної величини — це така фізична величина, розміру якої надається числове значення 1.

У системі СІ для основних фізичних величин прийнято такі одиниці: маси — кілограм (кг); довжини — метр (м); часу — секунда (с); елек­тричного струму — ампер (А); термодинамічної температури — кель­він (К); сили світла — кандела (кд); кількості речовини — моль.

Згідно з Державним стандартом України ДСТУ 2681-94, вимірювання — це знаходження значень фізичних величин дослідним шляхом за допомо­гою спеціальних технічних засобів. Спеціальні технічні засоби, за допомогою яких здійснюється вимірювання, називаються засобами вимірювання.

Результатом вимірювання називають значення фізичної величини, знайдене внаслідок її вимірювання.

Складний багатоетапний процес, яким є вимірювання, можна поділити на окремі вимірювальні операції, що здійснюються над однією або кілько­ма фізичними величинами.

Порівняння фізичних величин — вимірювальна операція над двома однорідними фізичними величинами для виявлення співвідношення між розмірами цих фізичних величин, результатом якої є логічний висновок «більше», «менше» або «дорівнює».

Вимірювання неелектричних величин електровимірювальними засобами.

Для вимірювання неелектричних величин електричними засобами ви­мірювання необхідно мати вимірювальні перетворювачі неелектричних величин в електричні. Здебільшого неелектричні величини перетворюють у частоту, напругу або струм.

Вимірювальні перетворювачі (датчики) неелектричних величин в елек­тричні поділяються на параметричні і генераторні.

У параметричних вимірювальних перетворювачах неелектрична вели­чина перетворюється в параметр електричного кола: опір, ємність, індуктивність, взаємну індуктивність.

Розглянемо параметричні перетворювачі, які застосовуються на практиці.

Тепзоперетворювач (тензорезистор). Принцип роботи тензорезис-тора ґрунтується на тензоефекті, який полягає у зміні опору провідника або напівпровідника під дією механічної напруги і деформації:

Терморезистивний перетворювач (терморезистор). Опір провідни­ків і напівпровідників, як відомо, залежить від температури. Це явище ви­користовується для вимірювання температури. Терморезистивний перетво­рювач виготовляється з платинового або мідного провідника. Застосовують також напівпровідникові терморезистори (термістори).

 Індуктивний перетворювач. Принцип дії індуктивного перетворю­вача ґрунтується на залежності індуктивності Ь_х або взаємної індуктив­ності М_х від взаємного розташування, геометричних розмірів і магнітного стану ділянок магнітного кола.

Ємнісні перетворювачі. Принцип дії ємнісного перетворювача ґрунту­ється на залежності ємності конденсатора від розмірів і взаємного розміщен­ня пластин та від діелектричної проникності матеріалу між пластинами.

Реостатні перетворювачі. Реостатний перетворювач — це точний (прецизійний) реостат, повзунок якого переміщується під дією вимірюва­ної величини.

Термоелектричні перетворювачі. Термо­електричним перетворювачем, або термопарою, називають з'єднання двох провідників, виготовлених з різних матеріалів або сплавів (наприклад, сплав хрому і кобальту). Принцип дії термопари ґрунтується на так званому ефекті Зеєбека, який полягає в тому, що в точці з'єднання (спаї) двох різ­норідних провідників виникає електрорушійна сила (термоерс), яка зале­жить від температури і фізичних властивостей цих двох провідників.

Індукційні перетворювачі. Принцип дії індукційного перетворювача ґрунтується на законі електромагнітної індукції, згідно з яким змінне магнітне поле наводить у довільному контурі, що знаходиться в цьому полі, електрорушійну силу, значення якої прямо пропорційне швидкості зміни магнітного поля.

П'єзоелектричні перетворювачі. Принцип дії п'єзоелектричних пе­ретворювачів ґрунтується на явищі п'єзоефекту, який полягає у тому, що під дією сили на кристали деяких речовин (наприклад, кристали кварцу) на гранях кристала з'являються електричні заряди.

 III етап (дослідження):

Завдання етапу: Закріпити знання з даної теми на практиці. Набуття ячнями навиків прикладної та експериментально-дослідницької роботи.

Учні самостійно працюють, паяють запропоновану схему з датчиком, аналізують її, пропонують можливі варіанти прикладного впровадження створеної конструкції.

VI етап (підведення підсумків, оцінка результатів, рефлексія):

Завдання етапу: встановлення правильності і усвідомленості засвоєння нового навчального матеріалу, виявлення прогалин і невірних уявлень, їх корекція; формування адекватної самооцінки учнів, виховання почуття задоволеності власною працею (в т. ч. з отриманими продуктом діяльності).

Учасники проектів обговорюють труднощі в ході роботи, та особливості їхніх створених конструкцій.

Рефлексія показує, що в ході роботи учні засвоюють основні поняття теми, принципи вимірювання фізичних величин за допомогою датчиків.

Вони запам'ятали класифікацію датчиків та їх основні типи. Крім того, їм стало зрозуміло принцип роботи термопари, резистивного датчика та ін. Учні отримали в результаті продукт своєї діяльності: діючу модель датчика.

 Домашнє завдання підготувати доповідь “Підключення датчиків до платформи Ардуіно”

Література

1. Панфилова В.А. Электрические измерения:- М.: Издательский Центр «Академия», 2008.- 288 с.;

2. Федорченко А.А. Электротехника с основами Электроники:- М.: Издательско- торговая корпорация «Дашков и К», 2009. – 416 с.