傳感技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

張俊玲

（中國人民武裝警察部隊學(xué)院基礎(chǔ)部，河北 廊坊 065000）

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)與支柱，同時也是現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展的一個重要組成部分.本文將綜述傳感技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，以此引起大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和儀器研究工作者的關(guān)注，促進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與高新技術(shù)的融合，以提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量.

1 傳感技術(shù)原理及特點(diǎn)

傳感器又稱變換器、發(fā)送器或換能器，是利用某種效應(yīng)將被測量的非電量信號轉(zhuǎn)換為易于測量的電量信號的器件，通常由敏感元件和測量線路組成，其作用是將各種被測的非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量信號輸出，以滿足信息的傳輸、處理、顯示、記錄和控制等要求.

目前傳感器分類方法繁多，但比較常用的有以下5種［1］：

（1）按傳感器的工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器.

（2）按傳感器測量的范疇分類，可分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器、生物量傳感器.

（3）按能源分類，可分為有源傳感器和無源傳感器.

（4）按工作機(jī)理分類，可分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器.

（5）按輸出信號分類，可分為模擬式和數(shù)字式傳感器.

傳感技術(shù)是自動檢測和自動轉(zhuǎn)換技術(shù)的總稱，它綜合研究傳感器的材料、設(shè)計、工藝、性能和應(yīng)用等各個方面；傳感技術(shù)也是一門邊緣技術(shù)，它涉及物理學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等學(xué)科，是以研究自動檢測系統(tǒng)中的信息獲取、信息轉(zhuǎn)換和信息處理的理論和技術(shù)為主要內(nèi)容的一門技術(shù)性學(xué)科，與計算機(jī)、通信和自動控制技術(shù)一起構(gòu)成一條從信息采集、處理、傳輸和應(yīng)用的完整信息鏈［2］.

傳感技術(shù)的特點(diǎn)是科學(xué)的邊緣性、內(nèi)容的多樣性和離散性，特別重視新材料、新效應(yīng)的開發(fā)和研制.因此，傳感技術(shù)也是集各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的綜合技術(shù).

2 應(yīng)用實(shí)例

近幾年來隨著傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開始使用各種傳感器進(jìn)行測量.

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，不同的實(shí)驗(yàn)要求不同的傳感器設(shè)計，主要是將諸如力、熱、光等非電學(xué)量的信號變化利用傳感器轉(zhuǎn)化成電信號的變化，并通過相應(yīng)的電路與微機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)的實(shí)時監(jiān)控以及物理量的測量，常用的有溫度、位移、壓力等傳感器.

2.1 測量溫度

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，熱學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及溫度的測量，傳統(tǒng)的測量方法是利用水銀溫度計來測量，這樣不但測量誤差大，而且不便于學(xué)生操作（主要是水銀溫度計易碎），隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，利用溫度傳感器改進(jìn)傳統(tǒng)的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，將溫度轉(zhuǎn)化為電學(xué)量來測量，克服水銀溫度計的滯后效應(yīng)及讀數(shù)視差等帶來的誤差，提高實(shí)驗(yàn)精確度和穩(wěn)定性.

比如，在“測定冰的比熔解熱”實(shí)驗(yàn)中，用溫度傳感器制作的數(shù)字溫度計能夠自動、連續(xù)地測量溫度，收到良好的實(shí)驗(yàn)效果［3］.

又比如，在“自然對流條件下的冷卻定律”實(shí)驗(yàn)中，采用溫度傳感器PT100 與信號調(diào)整電路，接入數(shù)據(jù)采集器，用VB 進(jìn)行程序設(shè)計，設(shè)定每隔10秒鐘讀取一次液體溫度，當(dāng)液體溫度高于室溫10℃時停止實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)至Excel，得到溫度—時間曲線［4］.

又比如，在“測量空氣比熱容比”實(shí)驗(yàn)中，采用電流型集成溫度傳感器AD590 測量貯氣瓶中空氣的溫度（如圖1所示），不僅測量的精度高，而且使用方便，更易于學(xué)生了解溫度傳感器的作用，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的興趣［5］.

圖1 測量空氣比熱容比的實(shí)驗(yàn)裝置圖

又比如，在“不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測定”實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是采用溫差電偶測量溫度，由于溫差電偶導(dǎo)線較細(xì)，易于折斷.引入傳感技術(shù)，利用DS1820傳感器以及用較粗的傳感器連線對“FD－TC－B型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀”進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后控制和測量溫度時，接觸性能較好，不易脫落［6］.

2.2 測量壓力、壓強(qiáng)

壓力傳感器可以用來測量力的大小或氣體壓強(qiáng).

在“液體表面張力系數(shù)的測定”實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的方法是用焦利秤來測量液膜拉脫瞬間的力，偶然誤差較大，測量精確度不高.引進(jìn)了傳感器技術(shù)后，利用壓力傳感器來測量液膜拉脫瞬間的力，測得的液體表面張力系數(shù)與理論值非常接近，測量結(jié)果穩(wěn)定性好、精確度高，更便于利用計算機(jī)進(jìn)行實(shí)時測量.

用氣體壓力傳感器、放大器、數(shù)字電壓表和數(shù)字示波器，自制一臺數(shù)字式氣壓計，用于分別測量容器中空氣的等溫膨脹和絕熱膨脹時氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，驗(yàn)證玻意耳定律和絕熱過程的泊松公式，準(zhǔn)確求得氣體比熱容比（如圖2 所示）［7］.

2.3 測量周期

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，測量周期常用的方法是累計放大法（即測出50～100 個周期所用的時間），用秒表計時，實(shí)驗(yàn)者數(shù)數(shù)，這樣不僅繁瑣，而且容易出錯.引入傳感技術(shù)，實(shí)驗(yàn)操作簡單，而且誤差較小.

圖2 壓力傳感器測量氣體等溫和絕熱過程實(shí)驗(yàn)裝置圖

比如，在“單擺法測量重力加速度”實(shí)驗(yàn)中，引入傳感技術(shù)在擺球的平衡點(diǎn)正下方處安裝一個貼片式開關(guān)型霍爾傳感器（霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁電傳感器，它具有對磁場敏感程度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點(diǎn)）.將擺球的底部打孔并塞入同樣大小的磁鐵或磁鋼；當(dāng)擺球通過單擺的平衡點(diǎn)時，擺球內(nèi)的磁場作用于霍爾片，霍爾傳感器輸出一個低電平信號，該信號經(jīng)整形電路整形后，同時啟動計時電路計時和計數(shù)電路計數(shù).當(dāng)計數(shù)次數(shù)到達(dá)預(yù)置的次數(shù)時，計數(shù)電路輸出一個進(jìn)位信號讓計時電路停止計時，并在數(shù)碼管上靜止顯示時間.由于單擺完成一個周期的擺動需要經(jīng)過平衡位置兩次，所以根據(jù)計時電路所顯示的時間和計數(shù)電路所記錄的次數(shù)便可得平均周期（如圖3所示）［8］.

圖3 單擺法測重力加速度測試儀框圖

2.4 測量距離

位移傳感器可以用來測量距離.

在“拉伸法測金屬楊氏模量的測量”實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的方法是：利用光杠桿放大法測出細(xì)鋼絲的微小長度變化（讀取數(shù)據(jù)時采用目測），測量的精度較低.引入傳感技術(shù)，根據(jù)光強(qiáng)與鋼絲的伸縮長度存在的關(guān)系式，利用光纖位移傳感器將光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，測出鋼絲長度的變化，測量的精度大大提高.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示［9］.

圖4 金屬楊氏模量測量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)語

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中引進(jìn)傳感技術(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，使儀器結(jié)構(gòu)更為緊湊，測控更加簡便，從而提高了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，有效地降低了實(shí)驗(yàn)誤差.同時既增加了實(shí)驗(yàn)的新穎性、直觀性，又簡化了實(shí)驗(yàn)操作步驟、提高了實(shí)驗(yàn)精度，促進(jìn)了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)了對學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)和基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，拓展了學(xué)生對新技術(shù)、新方法應(yīng)用的了解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

當(dāng)前傳感器正向著微（小）型化、智能化和多功能化的方向發(fā)展［10］，今后傳感技術(shù)將在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中得到更廣泛的應(yīng)用，主要是從更方便展示實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、減小實(shí)驗(yàn)誤差等方面入手，提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量.

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