器物理原理演示教學(xué)儀器的研制

林曉瓏，白炳蓮，楊 鑫，馮 毅

（吉林大學(xué)，吉林 長春 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，激發(fā)低年級學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，拓展低年級本科生的知識結(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，從而把不易測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，便于測量。

電阻型傳感器的種類很多，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、電阻與磁場四個(gè)傳感原理演示模塊，用來定量演示：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應(yīng)的物理量之間的曲線，從而揭示傳感器的物理原理及其應(yīng)用。

1 演示儀器的檢測原理與制作

演示儀器的檢測原理如圖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應(yīng)壓力、照度、溫度、磁場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、磁場強(qiáng)度和磁敏電阻阻值之間的關(guān)系曲線。

圖1 檢測原理框圖

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，通過測量電路，將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出。

該模塊結(jié)構(gòu)及檢測原理為將應(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，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，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測量溫度的，其優(yōu)點(diǎn)是測溫范圍大，精度高。

該模塊結(jié)構(gòu)及檢測原理：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，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。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，使學(xué)生能觀察內(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?，該電壓值?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，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［4］。

磁敏電阻及磁場傳感器

圖6 光敏電阻偏置電路及放大電路

圖7 電阻與磁場傳感原理演示模塊結(jié)構(gòu)圖

1.4 電阻與磁場傳感原理演示模塊

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

如圖7所示，該模塊由燕尾導(dǎo)軌導(dǎo)向的絲杠傳動機(jī)構(gòu)和磁敏電阻、磁場傳感器及其固定座組成。絲杠兩端用滾動軸承及其軸承座支撐，永久磁鐵固定在沿著絲杠移動的滑塊上，滑塊依靠燕尾導(dǎo)軌導(dǎo)向，之間滑動配合，磁敏電阻和磁場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)動絲杠帶動滑塊上的永久磁鐵移動，改變永久磁鐵和磁敏電阻及磁場傳感器之間的距離，從而改變磁敏電阻的外部磁場強(qiáng)度，導(dǎo)致磁敏電阻的阻值發(fā)生變化，單片機(jī)系統(tǒng)測量出磁敏電阻的阻值，并通過磁場傳感器測量距磁敏電阻不同位置坐標(biāo)點(diǎn)的磁敏電阻處的磁場強(qiáng)度，不斷記下磁敏電阻的電阻值和外部磁場強(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強(qiáng)度的關(guān)系曲線［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)生對電阻概念的理解，還能夠使學(xué)生對電阻傳感原理的異同及應(yīng)用有更清楚的認(rèn)識?？梢酝卣贡究粕闹R結(jié)構(gòu)，了解不同屬性外場，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，如形變測量、照度檢測、溫度測量、磁場檢測等，使學(xué)生受到科研工作的基本訓(xùn)練。

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