器物理原理演示教学仪器的研制

林晓珑，白炳莲，杨 鑫，冯 毅

（吉林大学，吉林 长春 130022）

在物理演示实验中，增加传感器原理及应用的教学内容，可以使学生将物理学理论与工程实际应用有机结合起来，激发低年级学生对专业学习的兴趣，拓展低年级本科生的知识结构，有利于激发学生的创新性，让学生受到科研工作的基本训练，全面提高学生的科学素养和综合能力。

电阻型传感器是利用非电学量的变化，引起传感元件的电阻值变化，从而把不易测量的非电学量转化为电学量，便于测量。

电阻型传感器的种类很多，如：电阻型位移传感器、电阻应变式传感器、电阻型湿度传感器、热电阻温度传感器、光敏电阻传感器、磁敏电阻传感器等。本文中的演示教学仪器采用应变片、铂电阻、光敏电阻、磁敏电阻四种电阻型传感器，构成电阻与压力、电阻与温度、电阻与照度、电阻与磁场四个传感原理演示模块，用来定量演示：压力和应变片电阻值、温度和铂电阻阻值、照度和光敏电阻阻值、磁场强度和磁敏电阻阻值之间的关系及给出电阻阻值与对应的物理量之间的曲线，从而揭示传感器的物理原理及其应用。

1 演示仪器的检测原理与制作

演示仪器的检测原理如图1所示，电阻与压力、电阻与温度、电阻与照度、电阻与磁场的变化采用电桥电路或偏置电路转换成电压值，该电压值经放大电路放大后由模拟量多路转换开关切换输入到AD转换器中，转换成数字量被89S51单片机系统运算处理后，由液晶显示屏显示出对应压力、照度、温度、磁场的电阻值及压力随应变片电阻值、照度和光敏电阻阻值、温度和铂电阻阻值、磁场强度和磁敏电阻阻值之间的关系曲线。

图1 检测原理框图

1.1 电阻与压力传感原理演示模块

应变片的工作原理是应变片的电阻随其机械变形的大小发生变化，通过测量电路，将其转换为电压或电流信号输出。

该模块结构及检测原理为将应变片Ⅰ和应变片Ⅱ用粘贴的方法固定在悬臂梁上、下两面构成半桥电路的两个变化电阻，悬臂梁的端部安装有砝码托盘，在其上放置不同重量砝码时，悬臂梁变形量不同，导致应变片Ⅰ和应变片Ⅱ的电阻发生变化，使得其和两个固定电阻组成的半桥电路输出电压值不同。该电压值经放大电路放大，由AD转换器转换成数字量，经单片机系统运算处理转换成电阻后由液晶显示屏显示出来，可以定量演示出外力随每个应变片电阻值之间的变化规律。图2所示电阻与压力传感原理演示模块结构图，图3所示应变片信号输出电路［1］。

图2 电阻与压力演示模块结构图

图3 应变片信号输出电路

1.2 电阻与温度传感原理演示模块

铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，其优点是测温范围大，精度高。

该模块结构及检测原理：铜导热块和散热片之间放置帕尔贴元件，铂电阻、标准温度传感器一同插到铜导热块孔内，孔内填充导热硅胶，单片机系统控制帕尔贴元件中的电流方向，可以使帕尔贴制冷或加热，从而使铜导热块的温度从10℃到100℃范围变化。用单片机系统控制帕尔贴温度变化，并用标准温度传感器测出铂电阻的温度，铂电阻的输出采用图3的电桥电路转换为电压值，该电压值经放大电路放大，由AD转换器转换成数字量，经单片机系统运算处理转换成电阻后由液晶显示屏显示出来，定量演示出电阻与温度之间的变化规律，形成温度和铂电阻阻值之间的关系曲线。图4所示电阻与温度传感原理演示模块结构图［2］。

图4 电阻与温度传感原理演示模块结构图

图5 电阻与照度演示模块结构图

1.3 电阻与照度传感原理演示模块

光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的电阻型光电传感器，具有光电导效应。它在无光照时呈高阻状态，暗电阻值一般可达1.5 MΩ以上；随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1 kΩ以下。

模块结构及检测原理：将溴钨灯距光敏电阻和照度传感器一定距离固定在暗盒中，灯丝和光敏电阻及照度传感器等高，光敏电阻和照度传感器共面放置。暗盒的上盖可以打开，使学生能观察内部结构。用调压器不断改变溴钨灯的输入电流，使光敏电阻处的光照强度变化，同时用照度传感器测量光敏电阻处的照度值。由光敏电阻恒流偏置电路，把光敏电阻的阻值变化转变为电压值，该电压值经放大电路放大，由AD转换器转换成数字量，经单片机系统处理转换成电阻后由液晶显示屏显示出来，定量演示出照度和光敏电阻阻值之间的变化规律，液晶显示屏显示出照度和光敏电阻阻值之间的关系曲线［4］。

磁敏电阻及磁场传感器

图6 光敏电阻偏置电路及放大电路

图7 电阻与磁场传感原理演示模块结构图

1.4 电阻与磁场传感原理演示模块

磁敏电阻是利用半导体的磁阻效应制造的，其阻值会随穿过它的磁通量密度的变化而变化。在弱磁场下，磁敏电阻的阻值与磁感应强度呈平方关系；在强磁场下，磁敏电阻的阻值与磁感应强度呈线性关系。

如图7所示，该模块由燕尾导轨导向的丝杠传动机构和磁敏电阻、磁场传感器及其固定座组成。丝杠两端用滚动轴承及其轴承座支撑，永久磁铁固定在沿着丝杠移动的滑块上，滑块依靠燕尾导轨导向，之间滑动配合，磁敏电阻和磁场传感器共面与永久磁铁等高固定在距永久磁铁一定距离处。用手轮转动丝杠带动滑块上的永久磁铁移动，改变永久磁铁和磁敏电阻及磁场传感器之间的距离，从而改变磁敏电阻的外部磁场强度，导致磁敏电阻的阻值发生变化，单片机系统测量出磁敏电阻的阻值，并通过磁场传感器测量距磁敏电阻不同位置坐标点的磁敏电阻处的磁场强度，不断记下磁敏电阻的电阻值和外部磁场强度，并将这些数据显示在液晶显示屏上，定量演示出磁场强度和磁敏电阻阻值的变化规律，并显示出磁敏电阻阻值随磁场强度的关系曲线［5－7］。

2 结 论

电阻型传感器物理原理演示教学仪器，不仅可以提高学生对电阻概念的理解，还能够使学生对电阻传感原理的异同及应用有更清楚的认识。可以拓展本科生的知识结构，了解不同属性外场，引起电阻值的变化。同时可以拓展出若干在工程技术中的应用，如形变测量、照度检测、温度测量、磁场检测等，使学生受到科研工作的基本训练。

［1］吴昊，郑靖.SHPB实验中应变片的应用和标定［J］.舰船电子工程，2010.5：172－174.

［2］侯胜益，刘立英，李爽，等.非平衡电桥原理热敏电阻温度计的计算机标准与标准定［J］.大学物理实验，2012（4）：90－92.

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