光電傳感器的新功能拓展

何欣城

傳感器應(yīng)用廣泛，也是中學(xué)物理教學(xué)中的重要內(nèi)容。光電傳感器有計(jì)數(shù)功能，它所記錄的物體通過(guò)光電門的次數(shù)，能否用于反映某種物理量，比如長(zhǎng)度？

實(shí)際工程應(yīng)用中的滾輪式測(cè)距儀，通過(guò)記錄滾輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)來(lái)?yè)Q算走過(guò)的距離，正滿足這樣的轉(zhuǎn)換，這是教師講解傳感器應(yīng)用的一個(gè)極好的例子。但測(cè)距儀造價(jià)昂貴，設(shè)計(jì)復(fù)雜，不夠簡(jiǎn)明直觀。

如果在實(shí)驗(yàn)室常規(guī)傳感器上裝一個(gè)簡(jiǎn)單小巧的滾輪配件，就能很好地演示這個(gè)原理，有利于提高學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，也為傳感器實(shí)驗(yàn)器材拓展了新功能，有創(chuàng)新價(jià)值。

一、計(jì)數(shù)儀器的選取

實(shí)驗(yàn)室?guī)в?jì)數(shù)功能的儀器通常有兩種，即數(shù)字計(jì)時(shí)器和分組用的光電傳感器。

1.數(shù)字計(jì)時(shí)器

數(shù)字計(jì)時(shí)器一般與氣墊導(dǎo)軌配套使用，但常不被采用，原因有二：一是使用220V交流電源，嚴(yán)重制約了它的使用范圍;二是計(jì)時(shí)器光電門使用紅外線，其發(fā)光二極管和光電二極管外觀幾乎完全一樣，難以分辨。

2.光電傳感器

我校有杭州九二無(wú)線電廠出品的“J2482型傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)器”，其中包括光電傳感器。它的光電門用發(fā)光二極管發(fā)光，光敏電阻接收。采用6V直流電源，體積較小。由于它的使用范圍較大，所以我選定使用這種。

光電傳感器的計(jì)數(shù)方式是：物體通過(guò)光電門一次，計(jì)數(shù)就加“1”，并不斷累積。但滾輪應(yīng)如何設(shè)計(jì)，才能讓傳感器在它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)計(jì)數(shù)，且該計(jì)數(shù)能反映它通過(guò)的距離？

二、制作滾輪配件

滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和測(cè)距的功能，其設(shè)計(jì)最關(guān)鍵。我在設(shè)計(jì)時(shí)提出了三個(gè)方案，如圖1所示。

1.方案一

用一個(gè)邊緣帶缺口的圓輪作為滾輪，缺口與光電門的發(fā)光二極管及光敏電阻正相對(duì)時(shí)就能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。

如果滾輪始終保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器的計(jì)數(shù)每增加“1”，就意味滾輪前進(jìn)了一個(gè)周長(zhǎng)的距離。但實(shí)際測(cè)距儀需適應(yīng)包括野外等各種環(huán)境，如果滾輪邊緣上的缺口被淤泥等堵塞，就無(wú)法正常工作。這個(gè)設(shè)計(jì)雖然能基本達(dá)到目的，但并不符合實(shí)際。

2.方案二

將邊緣的小缺口向圓心靠近，讓其變成滾輪上的小洞，就減少了被堵塞的可能。滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小洞的角速度與滾輪邊緣某一點(diǎn)的角速度一致，所以實(shí)現(xiàn)的功能并沒有改變。

但因?yàn)闈L輪上只有一個(gè)小洞，意味著滾輪要轉(zhuǎn)足一圈，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)才增加“1”。把精確度定為1dm，周長(zhǎng)就只能是1dm，這樣的滾輪太小了。

3.方案三

在方案二的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，我決定在滾輪上多開幾個(gè)小洞。

如果在滾輪上開4個(gè)小洞，讓滾輪周長(zhǎng)為4dm，半徑約為6.4cm，滾輪面積較于在上面鉆孔。滾輪轉(zhuǎn)一圈是4dm，經(jīng)過(guò)一個(gè)小孔是1dm，也就是計(jì)數(shù)每增加“1”，滾輪就前進(jìn)1dm的距離。

最終，我確定的滾輪方案是半徑為6.4cm的塑料圓盤（可訂制），在上面鉆5個(gè)孔，中心一個(gè)，周圍4個(gè)呈十字分布，各距離中心2.5cm，每個(gè)孔的直徑都為5mm（5mm是發(fā)光二極管等元件的大致直徑）。

找一個(gè)廢舊的木圓規(guī)，將圓規(guī)的一腳拆下后，正好適合裝滾輪。如圖2所示，在滾輪左側(cè)的圓規(guī)上安裝一個(gè)發(fā)光二極管，并串聯(lián)一個(gè)R=200Ω的電阻;右測(cè)則安裝一個(gè)光敏電阻Rg。發(fā)光二極管、光敏電阻、光電傳感器與電源按照?qǐng)D3相連。

滾輪上4個(gè)小洞距圓心的距離相同。滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小洞如果到達(dá)二極管和光敏電阻的連線處，二極管的光就直射光敏電阻，使光敏電阻阻值變小，通過(guò)的電流變大。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，小洞離開該位置時(shí)，光被擋住，光敏電阻阻值恢復(fù)正常，通過(guò)的電流變小，此時(shí)，傳感計(jì)數(shù)器便在個(gè)位上增加“1”。當(dāng)下一個(gè)小洞通過(guò)該位置時(shí)，滾輪就已經(jīng)前進(jìn)1dm，所以，增加“1”表示前進(jìn)1dm。

測(cè)距時(shí)，滾輪應(yīng)保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并確定滾輪的初始位置，以避免出現(xiàn)偏差。我在滾輪上加了一道黃線，使用前，將滾輪轉(zhuǎn)到黃線與手柄前側(cè)平行處，按傳感器上的清零鍵。測(cè)量時(shí)按箭頭方向前進(jìn)，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

三、創(chuàng)新點(diǎn)

滾輪式光電測(cè)距原理演示儀有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.效果明顯，簡(jiǎn)易直觀

在粵教版物理教材中，必修一的光電門、選修3-2的傳感器都可使用本測(cè)距儀做演示，效果明顯，原理簡(jiǎn)單，而且方便講解。

2.拓展原器材功能，易于規(guī)?；?/p>

將此測(cè)距儀作為數(shù)字計(jì)時(shí)器、傳感器探究實(shí)驗(yàn)器等儀器的新配件，就可給它們加上測(cè)量距離的新功能，且不需要增加太多的成本。