吳勝舉 曹 輝＊

（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710062）

1 引言

傳感器處于研究對象與測試系統(tǒng)的接口位置，因此在信息領(lǐng)域發(fā)揮的作用與地位決定了它所具有的重要性.國內(nèi)許多高校都開設(shè)傳感器課程，拓寬專業(yè)知識面，培養(yǎng)學(xué)生在信息技術(shù)時代掌握接收、獲取信息的器件與裝置的基本知識與能力.

在講授傳感器原理與檢測技術(shù)的課程中，筆者感受到該課程由于知識內(nèi)容寬廣、且在不同章節(jié)內(nèi)容不具有連貫性和因果關(guān)系，因而學(xué)生在學(xué)習(xí)中對所學(xué)的知識內(nèi)容，存在難以理解、易于混淆等問題.因此，在一些難于理解的關(guān)鍵內(nèi)容，運用科學(xué)研究方法中的類比、歸納和演繹的方法來講解，卻能收到較好的效果.不但化解了知識點的難題，而且，教會學(xué)生如何分析問題，調(diào)動學(xué)習(xí)知識的興趣和積極性.

2 科學(xué)研究法應(yīng)用于傳感器教學(xué)的舉例

2.1 用類比法分析兩種不同運動系統(tǒng)特性

磁電感應(yīng)式傳感器，是利用導(dǎo)體與磁場發(fā)生相對運動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動勢.但是，對于這種由機械和電磁組合的傳感器，采用求解微分方程來研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，不但方法復(fù)雜，而且求解也比較困難.在這種情況，可以借助電路圖，應(yīng)用類比的方法，用已掌握的電路特性來預(yù)測和分析力學(xué)振動規(guī)律，可以省去直接建立微分方程及其求解的困難.

描述質(zhì)量、彈簧振子組成的機械系統(tǒng)運動的二階微分方程為

其中，v為系統(tǒng)的運動速度；Mm為運動部件的質(zhì)量；Rm為摩擦力阻；Cm為力順，是彈簧勁度系數(shù)的倒數(shù).

RCL串聯(lián)振蕩電路二階微分方程為

其中，I為通過振蕩回路的電流；Le為電感；Re為電阻；Ce為電容.

從機械振動二階微分方程解得速度v和電路振蕩方程解得I，然后根據(jù)Z＝求得電阻抗，Z＝em獲得機械阻抗.

對比上面兩式，機械振動與RLC串聯(lián)振蕩電路雖然分屬兩種不同的物理現(xiàn)象，卻具有相同的微分形式，所得到的阻抗又具有相似的物理屬性，因而就有如下的類比關(guān)系［1］

在上述類比中，物理量的測量卻有著本質(zhì)的差別，而這一點恰恰是需要學(xué)生理解的地方.

眾所周知，用電壓表測量電路的電壓和元件兩端的電壓時，是不干擾電路正常工作的；而測量電流則是將電流表串接在電路中.但是，對于力的測量，我們以彈簧測力計稱重來說明測力計是串接在被測的系統(tǒng)中；使用速度計測量物體的振動速度時，是將速度計安放在振動物體的表面，且其質(zhì)量遠小于振動體的質(zhì)量，不干擾振動物的工作狀態(tài).顯然，這樣的解釋使學(xué)生很容易理解相同與不同的地方.

2.2 用歸納法拓寬知識應(yīng)用范圍

傳感器的靈敏度校準，通常稱其為“標定”，是傳感器應(yīng)用中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié).許多教材中或者不涉及這方面的內(nèi)容，即使有此方面內(nèi)容，也僅就一兩種傳感器來講授校準（標定）的原理，這樣很難達到舉一反三的目的.如何通過已有教學(xué)內(nèi)容的講授來拓寬學(xué)生的知識范圍，使學(xué)生明確所述方法和原理不僅適用教材給定內(nèi)容，而且還具有普遍的使用意義，筆者根據(jù)已有的實踐，在講解教材內(nèi)容的同時，拓寬了所授知識的應(yīng)用范圍和用途.

以比較法校準（標定）為例.有的教材中對測振傳感器，在講述比較法校準時，將被測傳感器與已知靈敏度的標準測振傳感器一起放在標準振動臺上（如圖1）.已知標準測振傳感的靈敏度S0，在振動臺的作用下，分別測得標準測振傳感器輸出電壓U0和被校測振傳感器的輸出電壓Ux，于是被校測振傳感器的靈敏度Sx為［2］

圖1 比較法校準測振傳感器靈敏度框圖

但是，關(guān)于式（3）的測量精度以及公式具有的普遍應(yīng)用意義都沒有涉及.為了擴大學(xué)生知識范圍，加深對比較法的理解，可以從以下兩方面來闡述.

（1）從圖中不難發(fā)現(xiàn)，雖然，兩個傳感器同時放在激振器上（圖1中為緊固在一起置放），然而，兩個傳感器的輸出電壓是分別在經(jīng)過兩個測量放大器（或前置放大器）后測量的，即使是同型號的測量放大器（或前置放大器），由于增益不一致，為比較法測量帶來了誤差.如果，將標準測振傳感器和被校測振傳感器先后依次放在振動臺上，而保持振動幅度不變，使用同一臺測量放大器接收并放大輸出，同樣按公式（3）獲得待校傳感器的靈敏度，但此時的結(jié)果中避免了因系統(tǒng)誤差對測量帶來的影響.

（2）為了避免學(xué)生片面的理解所講述的比較法校準靈敏度只是適用測振傳感器的問題，在上述基礎(chǔ)上，以消聲室內(nèi)比較法校準待測傳聲器靈敏度來進一步說明公式（3）具有普遍意義.

圖2所示的是在消聲室比較法測量傳聲器靈敏度的框圖.標準傳聲器與待測傳聲器距揚聲器一樣遠的位置，信號發(fā)生器輸出一定頻率的電信號經(jīng)揚聲器輻射為聲波，已知靈敏度為M0的標準傳聲器和待測傳聲器同時接收聲波后轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)測量放大器放大輸出，由精密電壓表分別測出對應(yīng)標準傳聲器的測量放大器輸出電壓E0和對應(yīng)待測傳聲器的測量放大器輸出電壓Ex，即按照公式（3）求得待測傳聲器的靈敏度.

相同的道理，如果能采用同一臺測量放大器，并且保證依次放入聲場中的兩個傳聲器是處于相同的位置，保持揚聲器的輸出幅度不變，就可消除因為兩個接收系統(tǒng)不一致而帶來的誤差.

由上述可以看到：比較法校準靈敏度，可以推廣到對任何傳感器都適用，盡管所用的裝置不同，但是表達的形式是一樣的.

圖2 消聲室比較法測量傳聲器的靈敏度框圖

3 結(jié)語

限于篇幅，僅以部分實例進行討論，筆者體會到對于一些容易產(chǎn)生困惑和難以理解的內(nèi)容，將相關(guān)學(xué)科技術(shù)和知識結(jié)合，恰當?shù)倪\用所掌握的科學(xué)研究方法進行講授，起到了加深理解和掌握教學(xué)內(nèi)容的作用.同時，筆者認為，作為自然科學(xué)基礎(chǔ)之一的物理學(xué)，在講授基本內(nèi)容的同時，如能普及科學(xué)研究方法的思想，將會給學(xué)生帶來更多的創(chuàng)造思維和能力.

1 杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)（第2版）.南京：南京大學(xué)出版社，2001.119～122

2 陳杰，黃鴻.傳感器與檢測技術(shù).北京：高等教育出版社，2002.223

3 萬平英.聲頻測量技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，2006.45