传感器技术在大学物理实验中的应用

成 娟

（四川师范大学物理与电子工程学院，四川成都，610101）

传感器技术同计算机技术和通信技术被喻为现代信息技术的三大支柱，计算机技术被比作人的大脑，通信技术超小型作人的神经、而传感技术则被比作五官、“五官”进行信息采集，再通过“神经”的传输，最后由“大脑”进行处理。在信息处理技术、计算机技术和微处理器技术迅猛发展的背景下，传感器在自动化系统当中成为一种不可缺少和关键部件。

1 传感器技术发展概况

从广义上看，传感器即是把光、热、力等非电学物理量或者化学量转化为电信号的一种元器件。传感器的功能是将特定对象或某一过程的特定特性转化为数量。这个“对象”既可以是气体、也可以是液体或者固体，对象的状态既可呈静态，亦可呈动态(过程)。在对象的特性被转化成数量后，使可进行各种方式的检测。该对象特性既可为物理性质特征，亦可为化学性质。传感器的工作原理就是把对象特性或者状态参数转化为可测量的电信号，再将电信号分离并传输至传感器系统进行评测或进行标示。

对测量环境而言，不同环境对传感器的技术设计的要求也不相同，依据传感器结构以及工作原理，对各种实验环境共同的基本要求为：高灵敏度，高抗干扰性，高强度、良好的线性，易调节(即校准简易)，精度高，可靠性强，无迟滞性，高耐用性，抗老化，具有可重复性，响应速率高，抗各种环境影响（如热、振动、酸、碱、空气、水和尘埃等)，良好的选择性，安全性高，互换性强，低廉的成本低，具有宽泛的测量范围及工作温度范围，尺寸小及重量轻。

2 传感器在物理实验过程中的应用

物理实验过程中出现和诸多非电量都要用各种传感器做检测和进行控制。如果能对实验设备和实验内容进行改革，在实验中使用恰当的传感器，并将与接口电路和计算机终端相连接，将会使实验过程得以优化、提高实验的效果。

2.1 传感器技术在热学实验中的应用

所谓的模拟温度计就是通过金属热电阻传感器将热学量转换为电学量，再经电位差计将其进行显示的一种装置。

金属热电阻的构成成份包括感温元件、引出线、绝缘套管及接线盒，作为热电阻中的主要部件之一，电阻感温元件就是将细金属丝缠绕于骨架之上，然后自感温元件的内部导出 2 至3 根线构成感温元件。导出的线具有的电阻值要求尽量小，铜热电阻应在 R0（R0 的涵义见下文）的 0.2%以内。铜热电阻适合于测量的温度范围在-50℃～150℃，在这个范围之内，电阻阻值同温度呈线性关系，亦即 Rt=R0（1+αt），Rt 为温度为 t℃时的铜热电阻阻值；R0 为温度是 0℃时的电阻阻值；α 是电阻的温度系数。在实验中采用的是 Cu100（R0=100Ω）铜热电阻。

首先按图 2 进行接线，直流稳压电源调至 2V，调 r 使电桥于室温条件保持平衡，将电位差计指向零。将感温元件置于不同的已知温度环境中，然后读取与温度相应的电动势值，再依测得的数据画出定标曲线，如图1。其次将感温元件置于未知温度环境，记录下电位差计读数，与定标曲线进行对照来确定未知温度的数值。

在实验中取电阻值 R1=R2=R3=100Ω（分别由750Ω 标准电阻箱来提供），一个Cu100（R0=100Ω）和900Ω 滑线变阻器，一台直流稳压电源，一个UJ31 型电位差计、一个光点检流计。

图1 铜电阻的定标曲线

铜热电阻的特点是高灵敏度、高稳定性、价格低廉，所以适合于在测量非高温、非腐蚀性、测温元件的体积不受局限的环境中应用。

2.2 传感器技术在电学实验中的应用

电压传感器的一项功能是可感知到外部信号电压出现的高低变化,应用电压传感器可依伏安法来测定未知电阻的阻值。依据欧姆定律R=U/ I,利用传感器测量电阻时,电流测量转换为测量已知电阻两端的电压,此时接口电路中的输入电阻要远高于被测的电阻，得出电阻两端电压的测量值及流过电阻的电流值就能计算出电阻阻值。以电压传感器B 上的地线连接电源的负极,以信号线连接电源的正极,以此测量电源电压,用电压传感器B 另端连接接口箱以模拟通道B,以电压传感器A 连接接口箱以模拟通道C,传感器信号线连接未测电阻Rx 及取样电阻Ro 来计算电流。（传感器A、B 都位于接口箱之内）如图2 所示,在进行实验中运行软件,先输入Ro 值,再按“读数按钮”获取一组数据,然后按“重测按钮”来获取多组数据,最后求出平均值。这个实验的特点是过程十分简单,可俚语数据的准确性。

图2 用电压传感器测电阻

2.3 传感器技术在信息图像采集数据处理实验中的应用

以往物理实验中采集信息主要通过目测法、或通过显微镜、照相机和绘图仪等仪器。实验中的误差主要来自于人本身具有的观测局限性而图像传感器CCD（即光-电耦合器）对光具有敏感性，使得CCD 具备了光电转换，以及电荷存储与传输等功能。而且，这种传感器是一种固体成像仪器，其突出优点是：精确的光敏光间隔，高灵敏度，广泛的动态范围，易于同微机进行接口。传感器在实验过程中的应用使得实验主体由人变成了传感器同计算机构成的系统；实验中被观测到的信息能够在较长时间内保持一种稳定状态，以利于进行观测与分析；而且图像数据的采集过程同数据处理过程一气呵成，使实验的精确度与效率得到极大提高。

3 结语

从上文可以看出，传感器同接口电路及计算机进行结合能对物理实验数据通过在线方式进行实时采集、实时处理和制图，新型的智能化实验教学仪器由此诞生。通过些仪器能够完成传统实验仪器不能完成的实验任务，并提高实验的测量精度。伴随传感器技术与微电子技术的迅速发展，传感器将在大学物理实验过程中发挥更广泛的作用。

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[2]杨清梅,孙建民.传感器与测量技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.

[3]张洪润,张亚凡.传感器技术与应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.