工科物理實驗教學中傳感器應用實驗綜述

李 昂， 王天會， 汪 亮， 張亞軍， 彭庶修

(吉林大學 珠海學院 物理實驗中心， 廣東 珠海 519041)

工科物理實驗教學中傳感器應用實驗綜述

李 昂， 王天會， 汪 亮， 張亞軍， 彭庶修

(吉林大學 珠海學院 物理實驗中心， 廣東 珠海 519041)

溫度傳感器、霍爾傳感器與光敏傳感器作為常用的傳感器類型，在大學物理實驗課程中已逐漸普及。通過綜述其物理原理，突出它們作為敏感元件的作用，結合物理實驗的基礎性，給出簡易的演示物理實驗或設計性實驗內容。將其應用于大學物理實驗教學中，豐富了課程內容，訓練了學生的動手、動腦和分析能力，已經取得了積極效果。

工科； 物理； 實驗； 傳感器； 溫度； 霍爾效應； 光電效應

0 引 言

傳感器是借檢測元件(敏感元件)將被測對象的一種信息按一定的規律轉換成另一種信息的器件或裝置。傳感器所獲取的信息通常有物理量、化學量和生物量等，而經轉換后的信息多數為電學量，如電阻、電容、電感、電壓、電流及頻率或相位的變化等。

現代科學技術的飛速發展，給一些經典的理工科物理實驗項目帶來了新的內容和拓展空間。傳感器種類豐富，應用也日益增多，而傳感器所使用的敏感元件多利用了豐富的物理思想和原理[1-3]。而縱觀國內理工科高校的大學物理實驗教程，因所處基礎課的地位，結合物理原理或物理效應的實驗項目，多是在詮釋物理原理的基礎上，安排驗證性實驗內容，而對于其廣泛應用卻又淺嘗輙止、一筆帶過[4-6]。這樣，雖突出了物理思想與原理，但往往沒有現代技術中的具體應用實例，給人意猶未盡的感覺。例如，大學物理和物理實驗教學中的霍爾效應與霍爾效應測磁場內容，在大學物理中原理講得透徹，但實驗中只安排驗證霍爾電勢差與工作電流成正比，及測量磁場，或測量電磁鐵鐵芯氣隙中的磁場與勵磁電流成正比。要知道用霍爾傳感器測磁場只是它的一項應用，霍爾傳感器在自動檢測控制中有著廣泛應用。因而，從實驗的角度來說，挖掘實驗教學中的潛力，開發幾個應用的小實驗，作為演示實驗放在實驗室中給學生演示，以引起學生的學習興趣，拓寬他們的知識面。通過物理實驗教學改革，以傳感器的應用為內容，尋找實驗主題，開發新的設計性物理實驗項目[7-11]。

溫度傳感器、霍爾傳感器與內光電傳感器都是較為常用的傳感器類型。

1 溫度傳感器實驗

溫度是一個基本物理量，它的計量和檢測在科學技術與工農業生產中有重要的意義和廣泛的應用。傳統的溫度計量是利用某些物質的特性隨溫度變化而計量溫度。而現代的測溫技術，則是將溫度信號轉化為電信號以檢測和記錄，溫度信號轉化為電信號則離不開熱敏元件和溫度傳感器。由于測溫的范圍寬廣，因此，溫度傳感器的品種繁多，這里以物理實驗中溫度100℃以下的溫度檢測為例進行描述。

1.1 熱敏電阻實驗

熱敏電阻是指對溫度敏感的半導體材料制成的電阻，一般按溫度系數分為：負溫度系數熱敏電阻(NTC)、正溫度系數熱敏電阻(PTC)和臨界溫度系數熱敏電阻(CTR)。NTC熱敏電阻生產最早、最成熟、使用范圍也廣，最常見的是由金屬氧化物組成的，如：錳、鈷、鐵、鎳、銅等二、三種的氧化物混合燒結而成。PTC熱敏電阻是指呈正溫度系數的熱敏電阻。最常用的PTC熱敏電阻是鈦酸鋇陶瓷中加入施主雜質、增大電阻溫度系數的受主雜質以及居里點移動劑而制成。CTR熱敏電阻是一種具有開關特性的負溫度系數熱敏電阻。當達到阻值急劇轉變溫度時，引起半導體金屬相變。同PTC熱敏電阻一樣，利用這種特性可以制成無觸點開關。熱敏電阻可以根據使用要求封裝加工成各種形狀的探頭，如珠狀、片狀、桿狀、錐狀以及針狀等。因而熱敏電阻具有尺寸小、響應速度快、靈敏度高等優點，多用于測溫、控溫、溫度補償、流速測量、液面指示等[11-12]。

在實驗室已有的FB716-Ⅰ型設計性(熱學)實驗裝置的基礎上，適當擴充應用性實驗內容，以達到學習熱敏傳感元件的物理原理、熱學特性，初步了解它的應用等目的。

實驗內容安排為測試負溫度系數熱敏電阻的溫度特性，即輸出電壓與溫度的關系、擬合出曲線。在原有器件的基礎上增加少量元件，可開設出簡單易做、效果十分顯著的溫控實驗以說明它的應用，對于電類專業的低年級學生很有啟發作用。

1.2 電子溫控開關

電子溫控開關電路如圖1所示。它是由3只三極管組成的直接耦合電路。當環境溫度在設定溫度以下時，三極管VT1導通，VT2也導通。它的集電極電壓在0.3V以下，因此三極管VT3截止，LED不亮，相當于開關斷開。如果環境溫度上升，熱敏電阻的電阻值隨之減小，這樣三極管VT1的基極電壓就會升高，由于VT1是PNP型三極管，故三極管VT1截止，三極管VT2的基極得不到工作電流也將截止，它的集電極電壓升高，使三極管VT3飽和導通，這時LED點亮，相當于開關接通。

圖1 電子溫控開關原理圖

1.3 IC集成(電壓型)溫度傳感器LM35

利用硅集成電路工藝技術可以將感溫電路、信號放大電路、電源電路、補償電路等制作在一塊芯片上，構成單片式硅集成溫度傳感器。集成溫度傳感器按輸出信號形式分為電流型、電壓型和頻率型。它們的突出優點是：在其適用溫區范圍內具有靈敏度高、線性好、功能全和使用簡單方便。無論電壓輸出、電流輸出還是頻率輸出都適合于與微機直接接口。

這里以FB716-Ⅰ裝置中已有的LM35溫度傳感器為例介紹。以LM35制作溫度傳感器的原理如圖2所示。

在測試好LM35傳感器溫度特性、做出溫度與輸出電壓的關系曲線、擬合出線性方程，可知其溫度系數為10 mV/℃左右。以此知識為背景可設計出，以LM35為核心器件用數字萬用表200 mV擋為顯示部分的電子溫度表。當然，若要將兩者配合使用，要解決電源、分壓器與溫度標定等諸多問題，這部分內容可作為學生的設計性內容安排學生實驗。擴充了原有實驗裝置的實驗功能，是非常好的物理設計性實驗。

2 霍爾傳感器實驗

霍爾效應在大學物理和物理實驗的教學中，都是必講和必做的教學內容。在教學中突出的是它的物理原理，和在測磁場中的應用，由于物理教學內容的局限，課程不涉及在其他領域的應用。實際上，隨著集成電路制造技術的飛速發展，依據霍爾原理設計的霍爾元器件在自動控制中有廣泛的應用[13-15]。若在掌握霍爾原理的基礎上，課堂教學中增加簡單的應用演示實驗，拓寬學生的科技視野，引起他們對物理原理的興趣與重視。

霍爾傳感器分為3類：集成線性霍爾傳感器、集成開關型霍爾傳感器和集成霍爾鎖存器。這里以集成開關型霍爾器件的應用為例進行介紹。霍爾傳感器實驗原理框圖如圖3所示。

圖3 霍爾傳感器實驗原理框圖

2.1 測轉速電路

由于霍爾元器件依據電磁效應，必須有磁場配合，可選高磁性的釹鐵硼小磁粒配套使用，如U3144集成開關型霍爾器件表面線度小，配上直徑3 mm的小磁粒使用很方便。

在實驗器材選擇上可測儀表風扇的轉速。在風扇的轉軸上固定小磁粒，在其上方固定主要以U3144為核心元器件的檢測電路，當磁粒經過U3144時，感應出霍爾電壓，在風扇轉動中形成方波脈沖，則可使用實驗室已有可頻率測量的數字萬用表，或用示波器可顯示出相關的數據。

為培養學生的實驗技能，在單擺與三線擺的實驗中，對周期測量往往安排用秒表測量，在用秒表測量實驗之外，在教室中放上實驗室自己開發的用霍爾元器件測單周期擺和三線擺的裝置，演示用霍爾元器件配小磁粒測單擺或三線擺的周期。實際上這套裝置與前面介紹的風扇轉速的裝置是完全通用的。

2.2 開門報警器電路

將小磁粒裝在門框上，霍爾元器件裝在門上，當門合上時霍爾器件器輸出電壓，報警器不發出報警聲；兩者未曾合上時，器件無霍爾電壓從而報警，以提示門未曾合上，安全出了問題。

3 光敏傳感器實驗

凡是能將光信號轉換為電信號的傳感器稱為光敏傳感器，也稱為光電式傳感器，它可用于檢測直接由光強度變化引起的非電量，如光強、光照度等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物體形狀、工作狀態識別等。光敏傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因而在工業自動控制及智能機器人中得到廣泛應用。

光敏傳感器的物理基礎是光電效應，光電效應通常分為外光電效應和內光電效應兩大類。在光輻射作用下，電子逸出材料的表面產生光電子，稱為外光電效應或光電子發射效應，基于這種效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。光電子并不逸出材料表面的光電效應屬于內光電效應，包括光電導效應、光生伏特效應等。半導體材料的許多電學特性都因受到光的照射而發生變化，幾乎大多數光電控制應用的傳感器都是基于內光電效應的器件，通常有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等。

利用FB716-Ⅲ設計性(光電)實驗裝置，在盡量利用原有元器件的基礎上，增加少量元器件，便可實現應用類實驗內容的擴展，以擴充學生科技視野。

實驗內容主要是研究光敏電阻、硅光電池、光敏三極管等光敏傳感器的伏安特性、光照特性，以及若干具體應用電路。

3.1 光敏傳感器的基本特性

光敏傳感器的基本特性包括：伏安特性、光照特性、光譜特性、溫度特性、頻率特性、暗電阻、亮電阻、響應時間等[16]。因教學對象為理工科低年級學生，結合理工科大學物理實驗教學基本要求，宜安排掌握光敏傳感器伏安特性和光照特性的測量方法，為合理應用光敏傳感器打好基礎。除伏安特性在基礎實驗中測試過外，學生需補充光度學的初步知識，學會暗筒中相對(光)照度的標定、開路電壓、短路電流和取樣電阻等實際工作測量等內容，實驗的實用性很強，對學生是一次很強的技能訓練[17]。圖4所示為一種光控電路原理圖。

3.2 應用電路

光敏電阻是最常用的光敏傳感器，以其為例進行介紹。光敏電阻器又稱光導管，是利用半導體光電導效應制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感。其電阻值能隨著外界光照強弱或環境明暗的變化而變化。它在無光照射時，呈高阻狀態；當有光照射時，其電阻值迅速減小。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換，即將光的變化轉換為電的變化等方面。

圖4 光控電路原理圖

它廣泛應用于各種自動控制電路、家用電器及各種測量儀器中。圖5所示為光控變音電路原理圖。

圖5 光控變音電路原理圖

在原裝置已有光纖與光敏三極管傳輸實驗基礎上，增加了光敏電阻的簡易測光電路、光控變音電路等[18]，供學生實驗，在器材充足的情況下也可讓學生自己設計各種功能電路來做實驗。

4 結 語

在當前工科專業物理實驗課程教學中，均存在學時少與課時少等問題，使得大學物理實驗項目偏少，學生所做實驗內容針對性也不強。除積極爭取學時外，挖掘實驗教學中的潛力，成為了一種可行的辦法。霍爾傳感器實驗，已經作為設計性實驗進入物理實驗課程教學，一些趣味性簡單的科技作品，豐富了物理演示實驗的內容。溫度傳感器和光電傳感器實驗，因其物理思想性強，設計能力要求高等特點，現作為物理設計性實驗的補充內容。這些設計實驗還訓練了學生科技論文排版寫作等方面的能力。

經過近兩年的教學實踐，在物理實驗教學中開展傳感器相關演示實驗的展示，以及開發與現代應用接軌的傳感器技術相關的設計實驗內容，使得學生學習物理實驗課程的興趣大大提高，有利于工科學生繼續學習技術實驗類課程的銜接，積極訓練了學生的動手、動腦和分析能力。這些探索和嘗試已經取得了積極效果。

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Review on College Physics Experiments of the Applications of Sensors

LIAng,WANGTianhui,WANGLiang,ZHANGYajun,PENGShuxiu

(Physics Experiments Center, Zhuhai College of Jilin University, Zhuhai 519041, Guangdong, China)

Temperature sensor, Holzer sensor and photoelectric sensor are more commonly used sensor types. In university physics experiment courses, sensor experiments are also gradually popularized. By reviewing the physical principles, highlighting their role as sensitive elements, combined with the basic physical experiments, simple physics demonstration experiments or designing physics experiments are presented. Through applying these sensor experiments in university physics experiment teaching, curriculum content, students' practical and analytical ability skills training are enriched. Positive results have been achieved.

engineering; physics; experiments; sensors; temperature; Holzer effect; photoelectric effect

2016-04-18

吉林大學珠海學院教學質量工程項目(ZLGC20130601)

李 昂(1980-)，男，遼寧朝陽人，雙碩士，副教授。主要研究方向：大學物理及大學物理實驗教學。

Tel.:0756-7629635; E-mail:jlulyon@163.com

TP 212.1

A

1006-7167(2017)03-0217-04