章登宏， 鐘菊花， 房 毅， 顧英俊， 陳建華

(華東理工大學(xué)物理系，上海200237)

0 引言

在現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展的21世紀(jì)，人類(lèi)的活動(dòng)信息化，傳感和檢測(cè)技術(shù)的重要性就顯得尤為突出。一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程要獲取信息，要通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)。而傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)，它是傳感與控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)三大技術(shù)之一［1-3］。傳感器既是現(xiàn)代信息系統(tǒng)的源頭，又是信息社會(huì)賴(lài)以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。傳感器(Transducer/Sensor)的定義:能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或者裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成［4-5］。近來(lái)對(duì)傳感器有了新評(píng)價(jià):“沒(méi)有傳感器技術(shù)就沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已眾所周知。

應(yīng)用、研究和發(fā)展傳感器技術(shù)是信息時(shí)代的必然要求，而且科學(xué)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)合必須面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)［6］，面向各級(jí)各類(lèi)教學(xué)環(huán)節(jié)。在三大技術(shù)中，傳感器是一種獲得信息的手段，它將感受或影響規(guī)定的被測(cè)量，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)，以滿足信息的傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示和控制等要求。在各種測(cè)量信號(hào)中，由于電信號(hào)測(cè)量技術(shù)和手段發(fā)展的較好，其采集、傳輸、處理、顯示最為方便，因而，人們常將各種非電量轉(zhuǎn)換為電量來(lái)測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)科基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生基本操作技能和創(chuàng)新能力的重要途徑［7］。對(duì)開(kāi)設(shè)的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，所測(cè)量的溫度、氣壓、光強(qiáng)度、熱量等物理量，能夠按照要求選用傳感器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。根據(jù)高校創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵［8］，結(jié)合傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，溫度傳感器和壓力傳感器逐步取代傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)和U型壓力計(jì)，數(shù)據(jù)通過(guò)接口設(shè)備可以按照設(shè)計(jì)的程序自動(dòng)記錄、分析并存儲(chǔ)。

1 傳感器的發(fā)展和分類(lèi)

溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個(gè)階段:①傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件);②模擬集成溫度傳感器/控制器;③ 智能溫度傳感器。國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

傳感器的分類(lèi)目前無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，加上本身種類(lèi)繁多、原理各異、檢測(cè)對(duì)象五花八門(mén)，通常的分類(lèi):① 若按被測(cè)量分有以下三類(lèi):熱工量、機(jī)械量、物性量等;②若按物理原理分類(lèi)，分為壓阻式、壓電式、電感式、電容式、應(yīng)變式、霍爾式等;③ 若按能量的傳遞方式分類(lèi)，分為有源傳感器和無(wú)源傳感器兩大類(lèi);④若按其功能來(lái)分，可分近20種。這些傳感器可以檢測(cè)的對(duì)象很多，例如:熱量、壓力、溫度、濕度、長(zhǎng)度、體積、含量、濃度、畸變、氣味等。另外，根據(jù)傳感器輸出是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器;根據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程可逆與否，可分為雙向傳感器和單向傳感器等等。

2 傳感器在熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用

在熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中，使用傳感器時(shí)主要考慮:①實(shí)驗(yàn)的具體情況和要求，② 傳感器的實(shí)際使用條件和特性。例如測(cè)溫控制，一般情況下測(cè)溫范圍常在0～100℃。能夠滿足此條件的器件很多，如各種熱電偶、熱敏電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)溫度傳感器等均可以。結(jié)合實(shí)驗(yàn)就要進(jìn)行合理的選擇，主要考慮測(cè)量電路要簡(jiǎn)單、成本要低廉、測(cè)量精度要高，那么選擇半導(dǎo)體PN結(jié)溫度傳感器最合適。

溫度傳感器是科研和工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的一種傳感器。它將物體的溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)。不同的溫度傳感器材料不同、制作方法不同，實(shí)驗(yàn)使用的主要有熱電阻、熱電偶、集成型產(chǎn)品及數(shù)字式溫度傳感器等。

2．1 熱電阻

熱電阻是利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化這一特性來(lái)測(cè)量溫度的，在測(cè)溫和控溫中廣泛應(yīng)用，如各種家用電器的溫度控制器、火警報(bào)警器、恒溫箱等。用于制造熱電阻的材料，電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好成線性。熱電阻種類(lèi)較多，常用的有鉑、銅電阻。鉑絲是熱電阻用的最好材料，物理、化學(xué)性能非常穩(wěn)定，測(cè)量精度高。鉑電阻主要用作標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，常用的有Pt100，測(cè)溫范圍為－200～+960℃?？紤]到精度要求，通常使用阻一溫特性成良好線性的鉑電阻，其特征方程為［9］:當(dāng) －200℃ ＜t＜0℃時(shí)，

當(dāng)0℃ ＜t＜850℃時(shí)，

式中:R0為溫度為零時(shí)電阻值(Pt100=100Ω);A、B、C為常數(shù)。由于最終輸出量為電阻值，可以直接通過(guò)歐姆表測(cè)量。代入即得實(shí)際溫度值。還可以與計(jì)算機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

銅絲的特點(diǎn)是價(jià)格便宜、純度高、復(fù)制性好、線性特性僅次于鉑，比鉑電阻有較高的靈敏度，常用做－50～150℃范圍內(nèi)的工業(yè)用電阻溫度計(jì)。

熱電阻的測(cè)量方法:有恒壓法和恒流法兩種。熱電阻測(cè)溫電路是電橋，采用普通電橋會(huì)因連接導(dǎo)線電阻受環(huán)境溫度變化造成測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的是非電量電測(cè):溫度電測(cè)法，采用不平衡電橋測(cè)非電量的標(biāo)定方法，使用銅電阻體、電阻箱、微安表等儀器，電橋電源使用一定精度的穩(wěn)壓電源。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了電阻溫度計(jì)測(cè)量溫度的基本原理、方法和不平衡電橋的應(yīng)用，達(dá)到了理論與實(shí)踐結(jié)合的目標(biāo)，提高了應(yīng)用能力。

2．2 熱電偶

熱電偶(thermocouple)，基于塞貝克熱電效應(yīng)在電路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的一對(duì)不同材料的導(dǎo)電體，或者:一端結(jié)合在一起的一對(duì)不同材料的導(dǎo)體，并應(yīng)用其熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的敏感元件。熱電偶是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)電氣儀表(二次儀表)轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。測(cè)溫范圍－270～1 800℃以上，它屬于自發(fā)電型傳感器，測(cè)量時(shí)可以不需外加電源，可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表。

從理論上講，任何兩種不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)都可以制成熱電偶。但是作為實(shí)用的測(cè)溫元件，為了保證工程技術(shù)中的可靠性，以及足夠的測(cè)量精度，一般對(duì)熱電偶的電極材料有特殊的要求［10］。熱電偶通常由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等部分組成。在很寬的溫度測(cè)量范圍內(nèi)，熱電偶的特性是非線性的，因此，不要公式計(jì)算，也不用特性曲線表示，而是用分度表給出。

在使用熱電偶測(cè)溫時(shí)，必須能夠熟練地運(yùn)用熱電偶的參考端(冷端)處理方法、安裝方法、測(cè)溫電路、測(cè)溫儀表等實(shí)用技術(shù)。熱電偶的參考端(冷端)處理:熱電偶工作時(shí)，必須保持冷端溫度恒定(冰水混合物)，并且熱電偶的分度表是以冷端溫度為0℃作出的。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的非電量電測(cè)實(shí)驗(yàn)有溫度電測(cè)法、熱傳導(dǎo)系數(shù)的測(cè)定。前者學(xué)習(xí)熱電偶標(biāo)定和測(cè)溫，使用銅-康銅熱電偶、電阻箱、微安表、水銀溫度計(jì)等儀器，電橋電源使用一定精度的穩(wěn)壓電源;后者一般有穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法，所做實(shí)驗(yàn)利用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量固體的導(dǎo)熱系數(shù)。通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)掌握了熱電偶測(cè)溫原理、熱傳導(dǎo)的基本原理和規(guī)律，提高了解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2．3 集成溫度傳感器以及AD590

集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b—e結(jié)壓降的不飽和值U與熱力學(xué)溫度T和通過(guò)發(fā)射極電流I的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓、電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10 mV/K，溫度0℃時(shí)輸出為0，溫度25℃時(shí)輸出2．982 V;電流輸出型的靈敏度一般為1μA/K。

AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，是一種應(yīng)用廣泛的溫度敏感元件，接不同的信號(hào)調(diào)節(jié)電路可以滿足不同的測(cè)量控制精度要求。依據(jù)其主要特性［11］，開(kāi)設(shè)了動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的實(shí)時(shí)測(cè)量，即實(shí)時(shí)觀測(cè)熱敏電阻的溫度特性［12］。實(shí)驗(yàn)儀器主要有:雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流源、LabCorder數(shù)據(jù)采集分析儀、計(jì)算機(jī)、智能溫控輻射式加熱器、AD590、鉑電阻、熱敏電阻等。將采集的電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻與溫度值，AD590溫度傳感器給出溫度信號(hào)，熱敏電阻回路給出電阻阻值變化信號(hào)，運(yùn)用相關(guān)的計(jì)算式得到一一對(duì)應(yīng)的R-T數(shù)據(jù)，要求用坐標(biāo)紙描繪熱敏電阻PTC的溫度特性曲線(計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，合理選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行記錄，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制R-T圖)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地反映學(xué)生的綜合素質(zhì)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和分析的能力，雖然有一定的綜合性和難度，學(xué)生普遍認(rèn)為需要具備扎實(shí)的基本功，學(xué)到了知識(shí)，鍛煉了能力。

2．4 紅外、光纖和數(shù)字式溫度傳感器

自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度(－273．15℃)的物體，由于分子熱運(yùn)動(dòng)的存在，就會(huì)不斷地向周?chē)椛潆姶挪ǎ渲芯桶瞬ǘ挝挥?．76～100μm的紅外線，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克(Plank)定律，紅外溫度傳感器就是以此而成的。利用輻射熱效應(yīng)，使探測(cè)器件接收輻射能后引起溫度升高，一般理解紅外測(cè)量的是物體的溫度，其實(shí)測(cè)的是目標(biāo)物與傳感器或者說(shuō)是物體與環(huán)境溫度之間的差值。多數(shù)情況下是通過(guò)賽貝克效應(yīng)來(lái)探測(cè)輻射的，當(dāng)器件接收輻射后，引起非電量的物理變化，也可通過(guò)適當(dāng)變化變?yōu)殡娏亢筮M(jìn)行測(cè)量。測(cè)量溫度具有非接觸測(cè)量、靈敏度高、響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣等特點(diǎn)。開(kāi)設(shè)的熱腔輻射實(shí)驗(yàn)，主要儀器包括熱輻射腔、光學(xué)基座、直線轉(zhuǎn)化器、轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器、紅外傳感器和熱電阻溫度傳感器等。該實(shí)驗(yàn)學(xué)生掌握了不同顏色表面的熱輻射和熱腔輻射的原理和規(guī)律，以及傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用，具有一定的綜合性與創(chuàng)新性，學(xué)生既學(xué)到了理論，又加強(qiáng)了實(shí)踐能力。

光纖技術(shù)的發(fā)展，為非接觸式測(cè)溫在生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了非常有利的條件。光纖溫度傳感器，利用光導(dǎo)纖維、熱輻射理論和普朗克原理制成［13］。光纖測(cè)溫技術(shù)解決了許多熱電偶和常規(guī)紅外測(cè)溫儀無(wú)法解決的問(wèn)題。在較高溫度(1 000～1 500℃)的測(cè)量中，價(jià)格昂貴的金屬熱電偶必須接觸被測(cè)高溫物體，損壞快導(dǎo)致成本高。它具有抗電磁干擾、耐高溫、抗腐蝕、小型化等優(yōu)點(diǎn);光纖撓性好、透光譜段寬、傳輸損耗低、無(wú)論是就地使用或遠(yuǎn)傳均十分方便，結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單且體積小。作為溫度計(jì)，可用于其它溫度計(jì)難以應(yīng)用的特殊場(chǎng)合，如密封、高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、核輻射、嚴(yán)格防爆、防水、防腐、特小空間等等。

數(shù)字式溫度傳感器是通過(guò)溫度敏感元件和相應(yīng)電路轉(zhuǎn)換成方便計(jì)算機(jī)和智能儀表等數(shù)據(jù)采集設(shè)備直接讀取的數(shù)字量的傳感器。它與模擬式傳感器相比的特點(diǎn)是:測(cè)量的精度和分辨率更高、抗干擾能力更強(qiáng)、穩(wěn)定性更好、易于微機(jī)接口、便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。如SMT16030該款溫度傳感器因其特殊工藝，分辨率優(yōu)于0．005 K。測(cè)量溫度范圍－45～+130℃，故廣泛用于高精度場(chǎng)合。常用的有4類(lèi):編碼器、柵式數(shù)字傳感器、感應(yīng)同步器、諧振式數(shù)字傳感器。

3 溫度傳感器在熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)教學(xué)大綱的基本要求，開(kāi)設(shè)熱學(xué)與傳感器技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)目的方面，① 培養(yǎng)學(xué)生用實(shí)驗(yàn)的方法去研究熱學(xué)現(xiàn)象及規(guī)律的能力;②使學(xué)生在基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能方面得到訓(xùn)練;③重視培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神。在教學(xué)內(nèi)容方面，應(yīng)反映現(xiàn)代科技的發(fā)展，將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代新技術(shù)有效的結(jié)合起來(lái)，用新技術(shù)、新方法來(lái)設(shè)計(jì)和更新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在知識(shí)結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)技能等方面能適應(yīng)信息社會(huì)的需求。在教學(xué)方法上，運(yùn)用問(wèn)題探討式和啟發(fā)式，側(cè)重于傳感器應(yīng)用方面的講解，以提出、分析、解決問(wèn)題為主線的能力培養(yǎng)體系，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，將抽象的知識(shí)具體化，發(fā)展學(xué)生的非智力素質(zhì)。在教學(xué)過(guò)程中，要因材施教，通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握一些傳感器的基本知識(shí)，了解其應(yīng)用技術(shù)，有可借鑒的思路和方法，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力，達(dá)到“構(gòu)建多元化開(kāi)放式實(shí)踐教學(xué)體系培養(yǎng)大學(xué)生的“四種能力”［14］的實(shí)際效果。溫度傳感器在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，改進(jìn)了傳統(tǒng)物理熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，提高了實(shí)驗(yàn)的精確度，促進(jìn)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)向創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著信息的劇增，對(duì)傳感器提出了越來(lái)越高的要求，因此仍在高速發(fā)展。作為熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)傳感器技術(shù)與新技術(shù)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，開(kāi)設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)軓亩嘟嵌?、多方位、多層次、多途徑?xùn)練學(xué)生提出、分析和解決問(wèn)題的能力，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段［15-18］，能夠進(jìn)一步促進(jìn)素質(zhì)教育，提高學(xué)生適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的能力，培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新的一代新人。

［1］ 李 成，樊尚春，錢(qián) 政，等．傳感器課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一體化建設(shè)與實(shí)踐［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(10):132-135．

［2］ 宋述燕，陳家鳳．《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》教學(xué)方法探討［J］．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6(3):104-105，146．

［3］ 李科杰．現(xiàn)代傳感技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2005．

［4］ 劉迎春，葉湘濱．現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1998．

［5］ 蔣敦斌，李文英．非電量測(cè)量與傳感器應(yīng)用［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005．

［6］ 依俊卿．實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)代綜合性大學(xué)發(fā)展的依托［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24(7):2．

［7］ 趙洪霞，鮑吉龍，丁志群，等．在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［J］．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009，7(1):91-92．

［8］ 章新友．關(guān)于高校創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24(6):68．

［9］ 林春方，胡偉全，徐鳳云．傳感器原理及應(yīng)用［M］．合肥:安徽大學(xué)出版社，2004．

［10］ 李科杰．現(xiàn)代傳感技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2005．

［11］ 黃繼昌，徐巧魚(yú)，張海貴．傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例［M］．北京:人民郵電出版社，1998．

［12］ 張兆奎，繆連元，張 立．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］．3版．北京:高等教育出版社，2008．

［13］ 劉麗華，王 軍，新 力，等．光纖溫度傳感器的應(yīng)用及發(fā)展［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24(5):547-550．

［14］ 韋 化．構(gòu)建多元化開(kāi)放式實(shí)踐教學(xué)體系培養(yǎng)大學(xué)生的“四種能力" ［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(5):1．

［15］ 施鼎方，徐竟成，朱毓秀，等．開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，促進(jìn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(8):85-87．

［16］ 李 成，侯汝舜，樊尚春，等．傳感器設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與建設(shè)［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(10):122-124．

［17］ 李 進(jìn)．實(shí)驗(yàn)教學(xué)重在過(guò)程［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(9):1-4．

［18］ 孫維民，趙麗軍，趙 褰，等．開(kāi)設(shè)研究性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(7):124-126．