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)代物理實驗發(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)物理實驗中的應(yīng)用，以此引起大學(xué)物理實驗教學(xué)和儀器研究工作者的關(guān)注，促進(jìn)大學(xué)物理實驗與高新技術(shù)的融合，以提高大學(xué)物理實驗的教學(xué)質(zhì)量.

1 傳感技術(shù)原理及特點

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、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)也是集各項科學(xué)技術(shù)的綜合技術(shù).

2 應(yīng)用實例

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)物理實驗開始使用各種傳感器進(jìn)行測量.

在大學(xué)物理實驗中，不同的實驗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)的電路與微機相連，實現(xiàn)對實驗的實時監(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)物理實驗教學(xué)中，熱學(xué)實驗涉及溫度的測量，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)實驗裝置，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，提高實驗精確度和穩(wěn)定性.

比如，在“測定冰的比熔解熱”實驗中，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，收到良好的實驗效果［3］.

又比如，在“自然對流條件下的冷卻定律”實驗中，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℃時停止實驗，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”實驗中，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，增強實驗的興趣［5］.

圖1 測量空氣比熱容比的實驗裝置圖

又比如，在“不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測定”實驗中，傳統(tǒng)的實驗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

壓力傳感器可以用來測量力的大小或氣體壓強.

在“液體表面張力系數(shù)的測定”實驗中，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，更便于利用計算機進(jìn)行實時測量.

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與體積的關(guān)系，驗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)物理實驗中，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，實驗者數(shù)數(shù)，這樣不僅繁瑣，而且容易出錯.引入傳感技術(shù)，實驗操作簡單，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驗裝置圖

比如，在“單擺法測量重力加速度”實驗中，引入傳感技術(shù)在擺球的平衡點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）.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”實驗中，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)實驗裝置如圖4所示［9］.

圖4 金屬楊氏模量測量實驗裝置示意圖

3 結(jié)語

在大學(xué)物理實驗中引進(jìn)傳感技術(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)物理實驗，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，有效地降低了實驗誤差.同時既增加了實驗的新穎性、直觀性，又簡化了實驗操作步驟、提高了實驗精度，促進(jìn)了傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化實驗教學(xué)和創(chuàng)新實驗教學(xué)，加強了對學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)和基本實驗技能的訓(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（?。┬突⒅悄芑投喙δ芑姆较虬l(fā)展［10］，今后傳感技術(shù)將在大學(xué)物理實驗中得到更廣泛的應(yīng)用，主要是從更方便展示實驗原理、實驗操作、減小實驗誤差等方面入手，提高大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量.

［1］朱蘊璞，孔德仁，王芳.傳感器原理及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005

［2］蘇艷陽，李 銳，陳 宇等.傳感技術(shù)綜述［J］.數(shù)字通信，2009，（8）：20

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