傳感器技術在大學物理實驗中的應用

成 娟

（四川師范大學物理與電子工程學院，四川成都，610101）

傳感器技術同計算機技術和通信技術被喻為現代信息技術的三大支柱，計算機技術被比作人的大腦，通信技術超小型作人的神經、而傳感技術則被比作五官、“五官”進行信息采集，再通過“神經”的傳輸，最后由“大腦”進行處理。在信息處理技術、計算機技術和微處理器技術迅猛發展的背景下，傳感器在自動化系統當中成為一種不可缺少和關鍵部件。

1 傳感器技術發展概況

從廣義上看，傳感器即是把光、熱、力等非電學物理量或者化學量轉化為電信號的一種元器件。傳感器的功能是將特定對象或某一過程的特定特性轉化為數量。這個“對象”既可以是氣體、也可以是液體或者固體，對象的狀態既可呈靜態，亦可呈動態(過程)。在對象的特性被轉化成數量后，使可進行各種方式的檢測。該對象特性既可為物理性質特征，亦可為化學性質。傳感器的工作原理就是把對象特性或者狀態參數轉化為可測量的電信號，再將電信號分離并傳輸至傳感器系統進行評測或進行標示。

對測量環境而言，不同環境對傳感器的技術設計的要求也不相同，依據傳感器結構以及工作原理，對各種實驗環境共同的基本要求為：高靈敏度，高抗干擾性，高強度、良好的線性，易調節(即校準簡易)，精度高，可靠性強，無遲滯性，高耐用性，抗老化，具有可重復性，響應速率高，抗各種環境影響（如熱、振動、酸、堿、空氣、水和塵埃等)，良好的選擇性，安全性高，互換性強，低廉的成本低，具有寬泛的測量范圍及工作溫度范圍，尺寸小及重量輕。

2 傳感器在物理實驗過程中的應用

物理實驗過程中出現和諸多非電量都要用各種傳感器做檢測和進行控制。如果能對實驗設備和實驗內容進行改革，在實驗中使用恰當的傳感器，并將與接口電路和計算機終端相連接，將會使實驗過程得以優化、提高實驗的效果。

2.1 傳感器技術在熱學實驗中的應用

所謂的模擬溫度計就是通過金屬熱電阻傳感器將熱學量轉換為電學量，再經電位差計將其進行顯示的一種裝置。

金屬熱電阻的構成成份包括感溫元件、引出線、絕緣套管及接線盒，作為熱電阻中的主要部件之一，電阻感溫元件就是將細金屬絲纏繞于骨架之上，然后自感溫元件的內部導出 2 至3 根線構成感溫元件。導出的線具有的電阻值要求盡量小，銅熱電阻應在 R0（R0 的涵義見下文）的 0.2%以內。銅熱電阻適合于測量的溫度范圍在-50℃～150℃，在這個范圍之內，電阻阻值同溫度呈線性關系，亦即 Rt=R0（1+αt），Rt 為溫度為 t℃時的銅熱電阻阻值；R0 為溫度是 0℃時的電阻阻值；α 是電阻的溫度系數。在實驗中采用的是 Cu100（R0=100Ω）銅熱電阻。

首先按圖 2 進行接線，直流穩壓電源調至 2V，調 r 使電橋于室溫條件保持平衡，將電位差計指向零。將感溫元件置于不同的已知溫度環境中，然后讀取與溫度相應的電動勢值，再依測得的數據畫出定標曲線，如圖1。其次將感溫元件置于未知溫度環境，記錄下電位差計讀數，與定標曲線進行對照來確定未知溫度的數值。

在實驗中取電阻值 R1=R2=R3=100Ω（分別由750Ω 標準電阻箱來提供），一個Cu100（R0=100Ω）和900Ω 滑線變阻器，一臺直流穩壓電源，一個UJ31 型電位差計、一個光點檢流計。

圖1 銅電阻的定標曲線

銅熱電阻的特點是高靈敏度、高穩定性、價格低廉，所以適合于在測量非高溫、非腐蝕性、測溫元件的體積不受局限的環境中應用。

2.2 傳感器技術在電學實驗中的應用

電壓傳感器的一項功能是可感知到外部信號電壓出現的高低變化,應用電壓傳感器可依伏安法來測定未知電阻的阻值。依據歐姆定律R=U/ I,利用傳感器測量電阻時,電流測量轉換為測量已知電阻兩端的電壓,此時接口電路中的輸入電阻要遠高于被測的電阻，得出電阻兩端電壓的測量值及流過電阻的電流值就能計算出電阻阻值。以電壓傳感器B 上的地線連接電源的負極,以信號線連接電源的正極,以此測量電源電壓,用電壓傳感器B 另端連接接口箱以模擬通道B,以電壓傳感器A 連接接口箱以模擬通道C,傳感器信號線連接未測電阻Rx 及取樣電阻Ro 來計算電流。（傳感器A、B 都位于接口箱之內）如圖2 所示,在進行實驗中運行軟件,先輸入Ro 值,再按“讀數按鈕”獲取一組數據,然后按“重測按鈕”來獲取多組數據,最后求出平均值。這個實驗的特點是過程十分簡單,可俚語數據的準確性。

圖2 用電壓傳感器測電阻

2.3 傳感器技術在信息圖像采集數據處理實驗中的應用

以往物理實驗中采集信息主要通過目測法、或通過顯微鏡、照相機和繪圖儀等儀器。實驗中的誤差主要來自于人本身具有的觀測局限性而圖像傳感器CCD（即光-電耦合器）對光具有敏感性，使得CCD 具備了光電轉換，以及電荷存儲與傳輸等功能。而且，這種傳感器是一種固體成像儀器，其突出優點是：精確的光敏光間隔，高靈敏度，廣泛的動態范圍，易于同微機進行接口。傳感器在實驗過程中的應用使得實驗主體由人變成了傳感器同計算機構成的系統；實驗中被觀測到的信息能夠在較長時間內保持一種穩定狀態，以利于進行觀測與分析；而且圖像數據的采集過程同數據處理過程一氣呵成，使實驗的精確度與效率得到極大提高。

3 結語

從上文可以看出，傳感器同接口電路及計算機進行結合能對物理實驗數據通過在線方式進行實時采集、實時處理和制圖，新型的智能化實驗教學儀器由此誕生。通過些儀器能夠完成傳統實驗儀器不能完成的實驗任務，并提高實驗的測量精度。伴隨傳感器技術與微電子技術的迅速發展，傳感器將在大學物理實驗過程中發揮更廣泛的作用。

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