關(guān)于傳感器實驗在物理實驗教學(xué)中的探索

摘要：本文首先介紹一些傳感器的基本知識，結(jié)合大學(xué)物理實驗的特點說明加強(qiáng)傳感器實驗和傳統(tǒng)物理實驗的融合是非常有必要的。其次介紹在物理實驗中開設(shè)傳感器實驗的情況。通過一系列實驗訓(xùn)練加強(qiáng)了學(xué)生對傳感器的認(rèn)識，同時使學(xué)生實驗的綜合能力也得到提高。

關(guān)鍵字：物理實驗；傳感器；物理量

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）18-0263-02

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，世界正面臨著一場技術(shù)革命。目前，傳感器技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志，它與通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。如果說計算機(jī)是人類大腦的擴(kuò)展，那么傳感器就是人類五官的延伸。經(jīng)過科學(xué)家的不懈努力，現(xiàn)在已經(jīng)有成千上萬種傳感器進(jìn)入我們的生活，了解和使用它們就成為一件刻不容緩的事。作為一所綜合性大學(xué)，大學(xué)物理實驗這門課程需面向理科、工科、農(nóng)科、醫(yī)科不同學(xué)科不同專業(yè)的學(xué)生開設(shè)。因為專業(yè)不同要求不同，接受能力也有差異，所以在開設(shè)實驗時需要考慮與學(xué)生所學(xué)專業(yè)相結(jié)合，注重實驗效果。同時考慮到許多傳感器實驗必須有一定的數(shù)字電路和模擬電路的知識，對學(xué)生有較高要求，所以可以分層次開設(shè)傳感器基礎(chǔ)實驗和傳感器綜合實驗。基礎(chǔ)實驗主要是運(yùn)用簡單電路，介紹傳感器的知識，綜合實驗即針對一種傳感器做特性分析以及設(shè)計新的實驗內(nèi)容，涉及到的電路也相對復(fù)雜一些。

一、傳感器基礎(chǔ)實驗-擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器實驗

擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的器件，當(dāng)它受到壓力作用時，被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，傳感器的電阻值發(fā)生變化，而后加差動放大器檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號。實驗電路如圖1：在實驗過程中不斷改變加在傳感器上的壓力，每隔一個壓力差，記下萬用表的示數(shù)。實驗數(shù)據(jù)見表一。

根據(jù)所得的結(jié)果計算系統(tǒng)靈敏度S=ΔU/ΔP=0.006V/kpa，從圖2中可以看出壓力和電壓變化符合線性關(guān)系，也就證明了壓電傳感器電阻變化與壓力大小之間的線性關(guān)系。根據(jù)這一性質(zhì)還可以將實驗拓展。圖1中的壓阻式傳感器用氣敏電阻（MQ3）傳感器代替，來研究氣敏電阻（MQ3）傳感器的特性，如果再用濕敏電阻（RH）傳感器替代圖1中的壓阻傳感器，對濕敏電阻（RH）傳感器的特性展開研究。通過傳感器的基礎(chǔ)實驗，學(xué)生對傳感器的特性和差動放大電路有了一定的了解，從而為后期的綜合實驗打下很好的基礎(chǔ)。

二、傳感器綜合實驗——霍爾傳感器實驗

霍爾傳感器是一種磁電式傳感器，我們可以利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)對物理量的檢測。按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。

1.霍爾效應(yīng)。把矩形的金屬或半導(dǎo)體薄片放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，薄片平面垂直于磁場方向。在橫向方向通以電流I，那么就會在縱向方向的兩端面間出現(xiàn)電位差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，兩端的電位差稱為霍爾電壓，正負(fù)取決于載流子的類型。這一金屬或半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。

2.霍爾傳感器應(yīng)用——電子秤。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器，由兩個環(huán)形磁鋼組成梯度磁場和位于梯度磁場中的霍爾元件組成。當(dāng)霍爾元件通過恒定電流，霍爾元件在梯度磁場中上下移動時，輸出的霍爾電勢U的大小取決于其在磁場中的位移量X，所以測到霍爾電勢的大小就可以獲得霍爾元件的靜位移量，霍爾傳感器內(nèi)部原理圖如圖3所示：

所以，當(dāng)霍爾傳感器通過恒定電流，將重物放在振動臺中央時，使得霍爾傳感器在梯度磁場中上下移動，輸出電勢取決于其在磁場中的位置。霍爾電勢經(jīng)過電路放大后與被測物的重量成線性關(guān)系。實驗電路如圖4所示：在稱重平臺上放上砝碼，隨著質(zhì)量的改變電壓也會相應(yīng)變化，數(shù)據(jù)見表二

由實驗結(jié)果分析可以得到：電子秤所載物體的質(zhì)量與萬用表顯示的電壓線性相關(guān)，當(dāng)物體的重量在逐步增加時，電壓隨著物體重量的增加而逐步增大。通過此實驗還可以展開對霍爾傳感器直流激勵特性研究，如果再加入相敏檢波器、低通濾波器、移相器就能完成交流激勵霍爾片特性研究和霍爾片在振動測量中的應(yīng)用等綜合設(shè)計性實驗。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙玉剛，邱東.傳感器基礎(chǔ)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2006.8.

[2]吳建平.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1.