虛實結合的電學實驗創新
——無線電壓、電流傳感器的設計原理

陳 波 翁浩峰

(浙江省寧波中學 浙江 寧波 315100)(收稿日期：2016-05-10)

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虛實結合的電學實驗創新
——無線電壓、電流傳感器的設計原理

陳 波 翁浩峰

(浙江省寧波中學 浙江 寧波 315100)(收稿日期：2016-05-10)

傳統的磁電式電表的顯示方式形象直觀，不需要任何的翻譯或解釋，但讀數和記錄工作不太方便，容易產生較大的誤差，而電流、電壓傳感器則能快速、準確、動態地采集實驗信息，并實現數字化顯示，由計算機輔助進行分析處理，但無法給予學生親身經歷的感受，不利于培養學生的實踐動手能力．筆者很好地結合了兩者的優點，開發了一套無線電壓、電流傳感器，并運用于實踐，獲得了不錯的實驗效果．

無線電壓傳感器 無線電流傳感器 DIS實驗

電流和電壓的測量在高中物理實驗中是非常重要的，在《物理·選修3-1》的“恒定電流”一章中，有大量的課堂演示實驗和學生實驗，都需要對電流和電壓進行測量．在傳統的教學工具下，使用老式的磁電式電表來測量電流和電壓．在DISLab出現后，可以使用電流、電壓傳感器來進行測量．但是，上述方法中的任何一種，都存在著缺點．

1 原有測量儀器的缺點

1.1 磁電式電表的缺點

傳統的磁電式電表應用電磁原理工作，驅動指針運動，是依靠指針在面板上停留位置來顯示電流和電壓大小的電表．這類電表的顯示方式是純模擬(指針的偏轉角度)，形象直觀，不需要任何的翻譯或解釋．但實驗室常用的磁電式電表都由小量程的電流表G(表頭，也叫靈敏電流計)改裝而成，其內阻并不太理想．一般電流表內阻約為0.1 Ω，電壓表內阻大約為3 000 Ω，因此在測量時，電流表的分壓以及電壓表的分流必然會帶來實驗誤差．再者，實驗室所用電表表盤太小，用于學生實驗尚可，但若用于課堂演示卻無法得到良好的效果，即使是演示專用的大電表，也無法保證每一位學生都能看得清．

1.2 電流、電壓傳感器的缺點

電流、電壓傳感器，是一種檢測裝置，能感受到被測電流的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為符合一定標準需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求．這套設備的優點是能快速、準確、動態地采集實驗信息，并實現數字化顯示，由計算機輔助進行分析處理．但是這類實驗的缺點也正體現在它的優點之中，對于可運用傳統實驗進行的物理實驗來說，數字實驗無法給予學生親身經歷的感受，不利于培養學生的實踐動手能力，而在實驗一開始就運用電腦來進行實驗，難以激發學生對物理實驗的興趣，實驗過程中運用電腦進行計算，雖然大大提高了實驗的速度、課堂的效率，但對于學生自身的計算能力卻產生了負面影響，容易導致學生過于依賴計算機進行計算，學生自身的計算水平無法得到提高．加之內阻太過理想(電流傳感器內阻幾乎為零，電壓傳感器內阻約為10 MΩ)，因此在測量時，電流表無論是內接還是外接，誤差都幾乎為零．然而內外接法的選擇判斷以及其誤差來源的分析都是高中電學實驗的重點和難點．這些都是傳感器所無法做到的．

磁電式電表和電流、電壓傳感器有著各自的優缺點，而筆者則很好地結合了兩者的優點，開發了一套實驗設備，并運用于實踐，獲得了不錯的實驗效果．尤其是在“電阻定律”一節教學中的使用，筆者憑借此課榮獲寧波市優質課評比一等獎．下面，筆者就該實驗的設備、原理進行詳細的介紹．

2 無線電壓、電流傳感器

高中物理里使用的電壓表和電流表都是將表頭進行改裝(串聯或并聯電阻)后得到的．表頭的電阻大概為幾十歐姆，最大電流大概為幾毫安，所以改裝成電壓表后的電阻大概為幾千歐姆，改裝成電流表后的電阻大概為零點幾歐姆．

Arduino模擬電壓輸入端的可測量的最大電壓為5 V，10位精度(即大概可以精確到0.005 V)，如果直接將模擬電壓輸入端作為電壓傳感器，也足以滿足高中物理電學測量的精度要求，所以可以直接將傳統的電壓表直接改裝成電壓傳感器，直接將Arduino的模擬電壓輸入端并聯到電壓表兩個接線柱上，由于Arduino模擬電壓輸入端的輸入阻抗在1×106Ω以上，并聯在電壓表上后基本不改變電壓表的內阻．圖1為電壓表改裝后的實物圖，電源可以內置在電壓表內部．

圖1 改裝后的電壓表

傳統的電流表的內阻大概為零點幾歐姆，在測量時，電流表兩端的電壓大概為幾十毫伏．由于Arduino只有模擬電壓輸入端，沒有電流輸入端，而模擬電壓輸入端精度只有5 mV，無法直接并聯在電流表兩端來測量．所以通過將電流表兩端的電壓進行放大后再用Arduino的模擬電壓端來測量，圖中接了一個放大倍數為1 000倍的線性放大電路．最后通過測量找到輸出電壓與電流的關系，然后將所測得的電壓進行計算后得到通過電流表的電流值．圖2為改裝完成的無線電流表實物圖．

圖2 改裝后的電流表

傳感器與數據采集器使用藍牙無線方式連接,所以在傳感器端加入藍牙模塊，基本的結構如圖3所示.

圖3 在傳感器端加入藍牙模塊

利用Arduino處理來自傳感器的數據，然后再由藍牙模塊發射．

3 數據采集器端設計

數據采集器端主要用來接收來自傳感器端的數據，并且將這些數據進行處理后發送到電腦端數據采集器與電腦端的連接利用Usb線連接．基本的結構如圖4所示.

圖4 數據采集器基本結構

不同組的模塊間通過設置不同的連接密碼進行區別，連接密碼初始化在藍牙模塊中．也就是說藍牙主機模塊1會自動連接傳感器端1中的藍牙從機模塊，藍牙主機模塊2會自動連接傳感器端2中的藍牙從機模塊，并且數據采集器端的Arduino能自動識別來自哪個傳感器端的數據．如果只使用一個無線傳感器進行實驗時，因為大多數計算機已經集成了藍牙模塊，所以這個結構可以簡化為如圖5所示結構.

圖5 簡化數據采集器結構

4 計算機端軟件的設計

不管是Arduino通過Usb連接電腦還是直接利用藍牙連接電腦，都采用了串口數據傳輸，所以可以使用一個叫Serproxy的串口代理程序將來自串口的數據轉化成Flash動畫可以讀取的數據．最后的數據呈現和繪圖都由Flash動畫來實現，當然也可以讓數據來控制Flash動畫界面上的某些元素，實現實時模擬的DIS實驗，并且當實驗結束后可以讓已經記錄下來的數據來驅動動畫上的元素，實現模擬實驗的回放或者慢放，來增加演示實驗的可視化．圖6為幾個實驗的Flash動畫界面．

圖6 小燈泡伏安特性曲線測量

該套設備在原有指針式電表的基礎之上，融入了新的傳感器功能，在實際的教學實踐中，保留了原有磁電式電表的特點,既能培養學生的電表讀數能力，又能通過計算機對大批量的實驗數據進行快速而準確的處理，不但達到了教學的目的，而且大大提高了教學的效率．

1 楊建良.電類基礎課程實驗教學“虛實結合”模式的構建.實驗室研究與探索，2014，33(7):101～104

2 楊凱.基于虛實結合實驗室的電路原理實驗：[碩士論文].杭州：浙江大學電氣工程學院,2013