林曉瓏，白炳蓮，楊 鑫，馮 毅

（吉林大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022）

在物理演示實(shí)驗(yàn)中，增加傳感器原理及應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容，可以使學(xué)生將物理學(xué)理論與工程實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來(lái)，激發(fā)低年級(jí)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，拓展低年級(jí)本科生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性，讓學(xué)生受到科研工作的基本訓(xùn)練，全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和綜合能力。

電阻型傳感器是利用非電學(xué)量的變化，引起傳感元件的電阻值變化，從而把不易測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，便于測(cè)量。

電阻型傳感器的種類(lèi)很多，如：電阻型位移傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器、電阻型濕度傳感器、熱電阻溫度傳感器、光敏電阻傳感器、磁敏電阻傳感器等。本文中的演示教學(xué)儀器采用應(yīng)變片、鉑電阻、光敏電阻、磁敏電阻四種電阻型傳感器，構(gòu)成電阻與壓力、電阻與溫度、電阻與照度、電阻與磁場(chǎng)四個(gè)傳感原理演示模塊，用來(lái)定量演示：壓力和應(yīng)變片電阻值、溫度和鉑電阻阻值、照度和光敏電阻阻值、磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁敏電阻阻值之間的關(guān)系及給出電阻阻值與對(duì)應(yīng)的物理量之間的曲線(xiàn)，從而揭示傳感器的物理原理及其應(yīng)用。

1 演示儀器的檢測(cè)原理與制作

演示儀器的檢測(cè)原理如圖1所示，電阻與壓力、電阻與溫度、電阻與照度、電阻與磁場(chǎng)的變化采用電橋電路或偏置電路轉(zhuǎn)換成電壓值，該電壓值經(jīng)放大電路放大后由模擬量多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換輸入到AD轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被89S51單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算處理后，由液晶顯示屏顯示出對(duì)應(yīng)壓力、照度、溫度、磁場(chǎng)的電阻值及壓力隨應(yīng)變片電阻值、照度和光敏電阻阻值、溫度和鉑電阻阻值、磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁敏電阻阻值之間的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖1 檢測(cè)原理框圖

1.1 電阻與壓力傳感原理演示模塊

應(yīng)變片的工作原理是應(yīng)變片的電阻隨其機(jī)械變形的大小發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路，將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)輸出。

該模塊結(jié)構(gòu)及檢測(cè)原理為將應(yīng)變片Ⅰ和應(yīng)變片Ⅱ用粘貼的方法固定在懸臂梁上、下兩面構(gòu)成半橋電路的兩個(gè)變化電阻，懸臂梁的端部安裝有砝碼托盤(pán)，在其上放置不同重量砝碼時(shí)，懸臂梁變形量不同，導(dǎo)致應(yīng)變片Ⅰ和應(yīng)變片Ⅱ的電阻發(fā)生變化，使得其和兩個(gè)固定電阻組成的半橋電路輸出電壓值不同。該電壓值經(jīng)放大電路放大，由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算處理轉(zhuǎn)換成電阻后由液晶顯示屏顯示出來(lái)，可以定量演示出外力隨每個(gè)應(yīng)變片電阻值之間的變化規(guī)律。圖2所示電阻與壓力傳感原理演示模塊結(jié)構(gòu)圖，圖3所示應(yīng)變片信號(hào)輸出電路［1］。

圖2 電阻與壓力演示模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 應(yīng)變片信號(hào)輸出電路

1.2 電阻與溫度傳感原理演示模塊

鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身電阻值也隨之改變的特性來(lái)測(cè)量溫度的，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍大，精度高。

該模塊結(jié)構(gòu)及檢測(cè)原理：銅導(dǎo)熱塊和散熱片之間放置帕爾貼元件，鉑電阻、標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器一同插到銅導(dǎo)熱塊孔內(nèi)，孔內(nèi)填充導(dǎo)熱硅膠，單片機(jī)系統(tǒng)控制帕爾貼元件中的電流方向，可以使帕爾貼制冷或加熱，從而使銅導(dǎo)熱塊的溫度從10℃到100℃范圍變化。用單片機(jī)系統(tǒng)控制帕爾貼溫度變化，并用標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器測(cè)出鉑電阻的溫度，鉑電阻的輸出采用圖3的電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓值，該電壓值經(jīng)放大電路放大，由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算處理轉(zhuǎn)換成電阻后由液晶顯示屏顯示出來(lái)，定量演示出電阻與溫度之間的變化規(guī)律，形成溫度和鉑電阻阻值之間的關(guān)系曲線(xiàn)。圖4所示電阻與溫度傳感原理演示模塊結(jié)構(gòu)圖［2］。

圖4 電阻與溫度傳感原理演示模塊結(jié)構(gòu)圖

圖5 電阻與照度演示模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 電阻與照度傳感原理演示模塊

光敏電阻是用硫化鎘或硒化鎘等半導(dǎo)體材料制成的電阻型光電傳感器，具有光電導(dǎo)效應(yīng)。它在無(wú)光照時(shí)呈高阻狀態(tài)，暗電阻值一般可達(dá)1.5 MΩ以上；隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1 kΩ以下。

模塊結(jié)構(gòu)及檢測(cè)原理：將溴鎢燈距光敏電阻和照度傳感器一定距離固定在暗盒中，燈絲和光敏電阻及照度傳感器等高，光敏電阻和照度傳感器共面放置。暗盒的上蓋可以打開(kāi)，使學(xué)生能觀(guān)察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。用調(diào)壓器不斷改變溴鎢燈的輸入電流，使光敏電阻處的光照強(qiáng)度變化，同時(shí)用照度傳感器測(cè)量光敏電阻處的照度值。由光敏電阻恒流偏置電路，把光敏電阻的阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐担撾妷褐到?jīng)放大電路放大，由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)處理轉(zhuǎn)換成電阻后由液晶顯示屏顯示出來(lái)，定量演示出照度和光敏電阻阻值之間的變化規(guī)律，液晶顯示屏顯示出照度和光敏電阻阻值之間的關(guān)系曲線(xiàn)［4］。

磁敏電阻及磁場(chǎng)傳感器

圖6 光敏電阻偏置電路及放大電路

圖7 電阻與磁場(chǎng)傳感原理演示模塊結(jié)構(gòu)圖

1.4 電阻與磁場(chǎng)傳感原理演示模塊

磁敏電阻是利用半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)制造的，其阻值會(huì)隨穿過(guò)它的磁通量密度的變化而變化。在弱磁場(chǎng)下，磁敏電阻的阻值與磁感應(yīng)強(qiáng)度呈平方關(guān)系；在強(qiáng)磁場(chǎng)下，磁敏電阻的阻值與磁感應(yīng)強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系。

如圖7所示，該模塊由燕尾導(dǎo)軌導(dǎo)向的絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和磁敏電阻、磁場(chǎng)傳感器及其固定座組成。絲杠兩端用滾動(dòng)軸承及其軸承座支撐，永久磁鐵固定在沿著絲杠移動(dòng)的滑塊上，滑塊依靠燕尾導(dǎo)軌導(dǎo)向，之間滑動(dòng)配合，磁敏電阻和磁場(chǎng)傳感器共面與永久磁鐵等高固定在距永久磁鐵一定距離處。用手輪轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠帶動(dòng)滑塊上的永久磁鐵移動(dòng)，改變永久磁鐵和磁敏電阻及磁場(chǎng)傳感器之間的距離，從而改變磁敏電阻的外部磁場(chǎng)強(qiáng)度，導(dǎo)致磁敏電阻的阻值發(fā)生變化，單片機(jī)系統(tǒng)測(cè)量出磁敏電阻的阻值，并通過(guò)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量距磁敏電阻不同位置坐標(biāo)點(diǎn)的磁敏電阻處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，不斷記下磁敏電阻的電阻值和外部磁場(chǎng)強(qiáng)度，并將這些數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上，定量演示出磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁敏電阻阻值的變化規(guī)律，并顯示出磁敏電阻阻值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線(xiàn)［5－7］。

2 結(jié) 論

電阻型傳感器物理原理演示教學(xué)儀器，不僅可以提高學(xué)生對(duì)電阻概念的理解，還能夠使學(xué)生對(duì)電阻傳感原理的異同及應(yīng)用有更清楚的認(rèn)識(shí)?？梢酝卣贡究粕闹R(shí)結(jié)構(gòu)，了解不同屬性外場(chǎng)，引起電阻值的變化。同時(shí)可以拓展出若干在工程技術(shù)中的應(yīng)用，如形變測(cè)量、照度檢測(cè)、溫度測(cè)量、磁場(chǎng)檢測(cè)等，使學(xué)生受到科研工作的基本訓(xùn)練。

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