2.1电阻应变式传感器—参量传感器—传感器检测技术（高教版）

2.1电阻应变式传感器—参量传感器—传感器检测技术（高教版） 【教学目标】 1. 知识目标 - 深入理解电阻应变式传感器的工作原理、结构组成。 - 掌握电阻应变效应的概念及其相关的物理基础。 - 熟悉电阻应变式传感器的测量电路，如惠斯通电桥电路的原理与特性。 - 了解电阻应变式传感器在不同领域中的应用实例及其特点。 2. 能力目标 - 能够根据实际测量需求，正确选用电阻应变式传感器及其配套的测量电路。 - 具备对电阻应变式传感器的简单故障进行分析和排除的能力。 - 通过实验和案例分析，提高运用传感器知识解决实际工程问题的能力。 3. 情感目标 - 培养学生对传感器技术的兴趣，激发学生探索传感器在现代科技中广泛应用的热情。 - 使学生认识到传感器技术在现代工业、医疗、环境监测等领域的重要性，增强学生的工程责任感。 【教学重点、难点】 教学重点： - 电阻应变式传感器的工作原理，尤其是电阻应变效应的理解。 - 惠斯通电桥电路在电阻应变式传感器测量中的应用。 教学难点： - 如何从微观角度解释电阻应变效应产生的原因及其与传感器输出特性的关系。 - 惠斯通电桥电路的平衡条件、输出电压与应变的关系，以及在不同应用场景下的电路调整。 【教学媒体及教学方法】 1. 教学媒体 - 多媒体课件：展示电阻应变式传感器的结构图片、工作原理动画、实际应用视频等，使抽象的知识形象化。 - 实物教具：在课堂上展示电阻应变片、惠斯通电桥实验板等实物，让学生直观感受。 - 实验设备：利用实验室的电阻应变式传感器实验装置，进行现场演示和学生操作实验。 2. 教学方法 - 讲授法：系统讲解电阻应变式传感器的基本概念、工作原理、测量电路等知识内容。在讲解过程中，结合教材中的知识点，逐步深入剖析重点和难点内容。例如，在讲解电阻应变效应时，从金属导体的微观结构出发，解释应变引起电阻变化的物理机制。 - 演示法：通过实物演示和实验演示，让学生观察电阻应变片的结构、惠斯通电桥电路的连接和工作过程。如演示应变片粘贴在弹性元件上，当施加外力时，通过测量电路得到电压变化的过程。 - 案例分析法：引入实际工程案例，如桥梁结构健康监测中电阻应变式传感器的应用、汽车电子秤中传感器的工作原理等。分析案例中传感器的选型、安装、信号处理等环节，使学生将理论知识与实际应用相结合。 - 小组讨论法：针对一些复杂的问题，如惠斯通电桥电路的非线性误差补偿方法，组织学生进行小组讨论。每个小组在讨论后派代表发言，分享小组的观点和解决方案，培养学生的团队合作能力和独立思考能力。 【课时安排】 教学过程 一、导入（10分钟） 同学们，在我们的现代生活和工业生产中，很多时候需要精确地测量一些物理量，比如物体的受力情况、位移、加速度等。大家能想到有哪些设备或者场景需要这样的测量吗？（引导学生思考并回答，如汽车的安全气囊系统需要检测车辆的碰撞加速度，桥梁需要监测自身的受力情况以确保安全等）那今天我们就来学习一种非常重要的传感器——电阻应变式传感器，它就像一个小小的“情报员”，能够将这些物理量的变化转化为我们可以测量的电信号。这种传感器在很多领域都有着广泛的应用，学好它对于我们理解传感器技术以及解决实际工程问题有着重要的意义。 二、新授（110分钟） 1. 电阻应变式传感器的基本概念（15分钟） - 教师讲解：电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将被测量（如力、压力、加速度等）转换为电阻变化的传感器。这里的关键是电阻应变效应，它指的是导体或半导体材料在受到外力作用产生机械变形时，其电阻值会发生相应变化的现象。 - 结合案例阐述：以金属丝为例，金属丝可以看作是由许多晶格组成的。当金属丝受到拉伸力时，晶格之间的距离会增大，导致电子的散射概率减小，从而使电阻减小；反之，当受到压缩力时，晶格间距减小，电子散射概率增大，电阻增大。这就好比是一条拥挤的道路（晶格间距小），电子在其中运动时容易发生碰撞（散射），电阻就大；当道路变宽（晶格间距增大）时，电子运动更顺畅，电阻就小了。 - 实物展示：拿出电阻应变片，向学生展示其结构，包括敏感栅、基底、覆盖层等部分，并简单介绍各部分的作用。 2. 电阻应变片的结构与类型（15分钟） - 教师讲解：电阻应变片主要由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成。敏感栅是应变片的核心部分，它是由具有高电阻率的金属丝或箔制成的栅状结构，其作用是感受应变并将应变转换为电阻变化。基底和覆盖层的作用是保护敏感栅，并使应变片能够牢固地粘贴在被测物体表面。应变片根据敏感栅的材料不同可以分为金属应变片和半导体应变片。 - 对比分析：金属应变片具有较高的稳定性和重复性，但应变灵敏系数相对较低；半导体应变片的应变灵敏系数很高，但受温度影响较大，稳定性稍差。例如，在一些长期监测结构应力的场合，如大型桥梁、建筑结构等，通常会选用金属应变片，因为其稳定性好，可以在较长时间内提供可靠的数据；而在一些对灵敏度要求极高且温度影响可以通过补偿手段解决的场合，如某些高精度的实验设备测量中，半导体应变片则有其优势。 - 图片展示：通过多媒体课件展示不同类型应变片的结构图片，让学生更加直观地了解其结构特点。 3. 电阻应变式传感器的工作原理（25分钟） - 教师讲解：当被测物体发生应变时，粘贴在其表面的电阻应变片也会随之发生变形，从而导致应变片的电阻值发生变化。这个电阻的变化量是非常微小的，我们需要通过一定的测量电路将其转换为易于测量的电信号，如电压信号。 - 实验演示：利用电阻应变式传感器实验装置，将应变片粘贴在一个弹性元件（如悬臂梁）上，然后在悬臂梁的一端施加一个已知的力。通过测量电路连接应变片，观察示波器上显示的电压变化情况。在演示过程中，向学生解释当力作用在悬臂梁上时，悬臂梁产生弯曲变形，应变片的电阻发生变化，进而引起测量电路输出电压的变化。同时，改变施加力的大小，让学生观察电压变化与力的大小之间的关系，从而加深对工作原理的理解。 - 理论推导：结合教材中的电路原理，对测量电路的输出电压与应变之间的关系进行理论推导。例如，对于惠斯通电桥测量电路，根据电桥的平衡条件和欧姆定律，可以推导出输出电压与应变片电阻变化的关系表达式，让学生明白其中的数学原理。 4. 惠斯通电桥测量电路（30分钟） - 教师讲解：惠斯通电桥是电阻应变式传感器中常用的测量电路。它由四个电阻组成，其中一个或多个电阻为应变片。惠斯通电桥的平衡条件是：相对桥臂电阻的乘积相等，即\(R_{1}R_{3}=R_{2}R_{4}\)。当应变片的电阻发生变化时，电桥的平衡被打破，从而产生输出电压。 - 电路分析：对惠斯通电桥的不同连接方式（单臂电桥、双臂电桥和全桥）进行详细分析。对于双臂电桥和全桥电路，也分别推导其输出电压表达式，并比较它们的灵敏度和线性度等特性。 - 案例分析：以电子秤为例，讲解惠斯通电桥在其中的应用。电子秤中的称重传感器通常采用电阻应变式传感器，其内部的应变片组成惠斯通电桥电路。当物体放在秤盘上时，称重传感器受到压力产生应变，应变片电阻变化，电桥输出与物体重量成正比的电压信号，经过放大、模数转换等处理后，最终显示出物体的重量。 - 电路演示：在黑板上画出惠斯通电桥电路的原理图，或者使用多媒体课件展示动态的电路工作过程动画，同时结合实验板进行实际电路的连接演示，让学生清楚地看到电路中各个元件的连接关系和信号的流向。 5. 电阻应变式传感器的应用（25分钟） - 教师讲解：电阻应变式传感器在众多领域都有广泛的应用。在机械工程领域，可用于测量各种机械结构的应力、应变，如在机床、起重机等设备的关键部件上安装应变片，实时监测其受力情况，以确保设备的安全运行。在航空航天领域，用于测量飞机机翼、机身等结构在飞行过程中的应力变化，为飞机的设计和维护提供重要数据。 - 案例展示：展示一些实际应用的图片和视频资料，如桥梁健康监测系统中应变式传感器的安装位置和数据采集情况，汽车制动系统中利用应变式传感器检测制动片的磨损情况等。分析这些案例中传感器的工作原理、安装方式、信号处理方法以及如何根据测量结果进行故障诊断或性能评估。 - 小组讨论：组织学生分组讨论在不同应用场景下，电阻应变式传感器的选型、安装和使用时需要注意的问题。每个小组讨论后，选派代表进行发言，教师对学生的讨论结果进行总结和补充。 三、课堂总结（5分钟） 今天我们学习了电阻应变式传感器的相关知识，包括其基本概念、工作原理、结构类型、惠斯通电桥测量电路以及应用等方面的内容。重点掌握电阻应变效应的原理、惠斯通电桥的工作原理和输出特性，以及在实际应用中如何根据需求选择合适的传感器和测量电路。在学习过程中，我们通过理论讲解、实验演示、案例分析和课堂练习等多种方式来加深对知识的理解。希望同学们在课后能够复习今天所学的内容，并且思考电阻应变式传感器在其他可能的领域中的应用。 作业 1. 教材上相关章节的课后练习题，如概念理解题、计算题等。 2. 查阅资料，了解一种电阻应变式传感器在新型领域（如智能家居、可穿戴设备等）中的应用，并写一篇简短的报告（300 - 500字），分析其工作原理、优势和面临的挑战。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$