工科物理實驗教學(xué)中傳感器應(yīng)用實驗綜述

李 昂， 王天會， 汪 亮， 張亞軍， 彭庶修

(吉林大學(xué) 珠海學(xué)院 物理實驗中心， 廣東 珠海 519041)

工科物理實驗教學(xué)中傳感器應(yīng)用實驗綜述

李 昂， 王天會， 汪 亮， 張亞軍， 彭庶修

(吉林大學(xué) 珠海學(xué)院 物理實驗中心， 廣東 珠海 519041)

溫度傳感器、霍爾傳感器與光敏傳感器作為常用的傳感器類型，在大學(xué)物理實驗課程中已逐漸普及。通過綜述其物理原理，突出它們作為敏感元件的作用，結(jié)合物理實驗的基礎(chǔ)性，給出簡易的演示物理實驗或設(shè)計性實驗內(nèi)容。將其應(yīng)用于大學(xué)物理實驗教學(xué)中，豐富了課程內(nèi)容，訓(xùn)練了學(xué)生的動手、動腦和分析能力，已經(jīng)取得了積極效果。

工科； 物理； 實驗； 傳感器； 溫度； 霍爾效應(yīng)； 光電效應(yīng)

0 引 言

傳感器是借檢測元件(敏感元件)將被測對象的一種信息按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成另一種信息的器件或裝置。傳感器所獲取的信息通常有物理量、化學(xué)量和生物量等，而經(jīng)轉(zhuǎn)換后的信息多數(shù)為電學(xué)量，如電阻、電容、電感、電壓、電流及頻率或相位的變化等。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，給一些經(jīng)典的理工科物理實驗項目帶來了新的內(nèi)容和拓展空間。傳感器種類豐富，應(yīng)用也日益增多，而傳感器所使用的敏感元件多利用了豐富的物理思想和原理[1-3]。而縱觀國內(nèi)理工科高校的大學(xué)物理實驗教程，因所處基礎(chǔ)課的地位，結(jié)合物理原理或物理效應(yīng)的實驗項目，多是在詮釋物理原理的基礎(chǔ)上，安排驗證性實驗內(nèi)容，而對于其廣泛應(yīng)用卻又淺嘗輙止、一筆帶過[4-6]。這樣，雖突出了物理思想與原理，但往往沒有現(xiàn)代技術(shù)中的具體應(yīng)用實例，給人意猶未盡的感覺。例如，大學(xué)物理和物理實驗教學(xué)中的霍爾效應(yīng)與霍爾效應(yīng)測磁場內(nèi)容，在大學(xué)物理中原理講得透徹，但實驗中只安排驗證霍爾電勢差與工作電流成正比，及測量磁場，或測量電磁鐵鐵芯氣隙中的磁場與勵磁電流成正比。要知道用霍爾傳感器測磁場只是它的一項應(yīng)用，霍爾傳感器在自動檢測控制中有著廣泛應(yīng)用。因而，從實驗的角度來說，挖掘?qū)嶒灲虒W(xué)中的潛力，開發(fā)幾個應(yīng)用的小實驗，作為演示實驗放在實驗室中給學(xué)生演示，以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬他們的知識面。通過物理實驗教學(xué)改革，以傳感器的應(yīng)用為內(nèi)容，尋找實驗主題，開發(fā)新的設(shè)計性物理實驗項目[7-11]。

溫度傳感器、霍爾傳感器與內(nèi)光電傳感器都是較為常用的傳感器類型。

1 溫度傳感器實驗

溫度是一個基本物理量，它的計量和檢測在科學(xué)技術(shù)與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有重要的意義和廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫度計量是利用某些物質(zhì)的特性隨溫度變化而計量溫度。而現(xiàn)代的測溫技術(shù)，則是將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號以檢測和記錄，溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號則離不開熱敏元件和溫度傳感器。由于測溫的范圍寬廣，因此，溫度傳感器的品種繁多，這里以物理實驗中溫度100℃以下的溫度檢測為例進行描述。

1.1 熱敏電阻實驗

熱敏電阻是指對溫度敏感的半導(dǎo)體材料制成的電阻，一般按溫度系數(shù)分為：負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)、正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。NTC熱敏電阻生產(chǎn)最早、最成熟、使用范圍也廣，最常見的是由金屬氧化物組成的，如：錳、鈷、鐵、鎳、銅等二、三種的氧化物混合燒結(jié)而成。PTC熱敏電阻是指呈正溫度系數(shù)的熱敏電阻。最常用的PTC熱敏電阻是鈦酸鋇陶瓷中加入施主雜質(zhì)、增大電阻溫度系數(shù)的受主雜質(zhì)以及居里點移動劑而制成。CTR熱敏電阻是一種具有開關(guān)特性的負溫度系數(shù)熱敏電阻。當(dāng)達到阻值急劇轉(zhuǎn)變溫度時，引起半導(dǎo)體金屬相變。同PTC熱敏電阻一樣，利用這種特性可以制成無觸點開關(guān)。熱敏電阻可以根據(jù)使用要求封裝加工成各種形狀的探頭，如珠狀、片狀、桿狀、錐狀以及針狀等。因而熱敏電阻具有尺寸小、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點，多用于測溫、控溫、溫度補償、流速測量、液面指示等[11-12]。

在實驗室已有的FB716-Ⅰ型設(shè)計性(熱學(xué))實驗裝置的基礎(chǔ)上，適當(dāng)擴充應(yīng)用性實驗內(nèi)容，以達到學(xué)習(xí)熱敏傳感元件的物理原理、熱學(xué)特性，初步了解它的應(yīng)用等目的。

實驗內(nèi)容安排為測試負溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性，即輸出電壓與溫度的關(guān)系、擬合出曲線。在原有器件的基礎(chǔ)上增加少量元件，可開設(shè)出簡單易做、效果十分顯著的溫控實驗以說明它的應(yīng)用，對于電類專業(yè)的低年級學(xué)生很有啟發(fā)作用。

1.2 電子溫控開關(guān)

電子溫控開關(guān)電路如圖1所示。它是由3只三極管組成的直接耦合電路。當(dāng)環(huán)境溫度在設(shè)定溫度以下時，三極管VT1導(dǎo)通，VT2也導(dǎo)通。它的集電極電壓在0.3V以下，因此三極管VT3截止，LED不亮，相當(dāng)于開關(guān)斷開。如果環(huán)境溫度上升，熱敏電阻的電阻值隨之減小，這樣三極管VT1的基極電壓就會升高，由于VT1是PNP型三極管，故三極管VT1截止，三極管VT2的基極得不到工作電流也將截止，它的集電極電壓升高，使三極管VT3飽和導(dǎo)通，這時LED點亮，相當(dāng)于開關(guān)接通。

圖1 電子溫控開關(guān)原理圖

1.3 IC集成(電壓型)溫度傳感器LM35

利用硅集成電路工藝技術(shù)可以將感溫電路、信號放大電路、電源電路、補償電路等制作在一塊芯片上，構(gòu)成單片式硅集成溫度傳感器。集成溫度傳感器按輸出信號形式分為電流型、電壓型和頻率型。它們的突出優(yōu)點是：在其適用溫區(qū)范圍內(nèi)具有靈敏度高、線性好、功能全和使用簡單方便。無論電壓輸出、電流輸出還是頻率輸出都適合于與微機直接接口。

這里以FB716-Ⅰ裝置中已有的LM35溫度傳感器為例介紹。以LM35制作溫度傳感器的原理如圖2所示。

在測試好LM35傳感器溫度特性、做出溫度與輸出電壓的關(guān)系曲線、擬合出線性方程，可知其溫度系數(shù)為10 mV/℃左右。以此知識為背景可設(shè)計出，以LM35為核心器件用數(shù)字萬用表200 mV擋為顯示部分的電子溫度表。當(dāng)然，若要將兩者配合使用，要解決電源、分壓器與溫度標(biāo)定等諸多問題，這部分內(nèi)容可作為學(xué)生的設(shè)計性內(nèi)容安排學(xué)生實驗。擴充了原有實驗裝置的實驗功能，是非常好的物理設(shè)計性實驗。

2 霍爾傳感器實驗

霍爾效應(yīng)在大學(xué)物理和物理實驗的教學(xué)中，都是必講和必做的教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)中突出的是它的物理原理，和在測磁場中的應(yīng)用，由于物理教學(xué)內(nèi)容的局限，課程不涉及在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。實際上，隨著集成電路制造技術(shù)的飛速發(fā)展，依據(jù)霍爾原理設(shè)計的霍爾元器件在自動控制中有廣泛的應(yīng)用[13-15]。若在掌握霍爾原理的基礎(chǔ)上，課堂教學(xué)中增加簡單的應(yīng)用演示實驗，拓寬學(xué)生的科技視野，引起他們對物理原理的興趣與重視。

霍爾傳感器分為3類：集成線性霍爾傳感器、集成開關(guān)型霍爾傳感器和集成霍爾鎖存器。這里以集成開關(guān)型霍爾器件的應(yīng)用為例進行介紹。霍爾傳感器實驗原理框圖如圖3所示。

圖3 霍爾傳感器實驗原理框圖

2.1 測轉(zhuǎn)速電路

由于霍爾元器件依據(jù)電磁效應(yīng)，必須有磁場配合，可選高磁性的釹鐵硼小磁粒配套使用，如U3144集成開關(guān)型霍爾器件表面線度小，配上直徑3 mm的小磁粒使用很方便。

在實驗器材選擇上可測儀表風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。在風(fēng)扇的轉(zhuǎn)軸上固定小磁粒，在其上方固定主要以U3144為核心元器件的檢測電路，當(dāng)磁粒經(jīng)過U3144時，感應(yīng)出霍爾電壓，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動中形成方波脈沖，則可使用實驗室已有可頻率測量的數(shù)字萬用表，或用示波器可顯示出相關(guān)的數(shù)據(jù)。

為培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能，在單擺與三線擺的實驗中，對周期測量往往安排用秒表測量，在用秒表測量實驗之外，在教室中放上實驗室自己開發(fā)的用霍爾元器件測單周期擺和三線擺的裝置，演示用霍爾元器件配小磁粒測單擺或三線擺的周期。實際上這套裝置與前面介紹的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的裝置是完全通用的。

2.2 開門報警器電路

將小磁粒裝在門框上，霍爾元器件裝在門上，當(dāng)門合上時霍爾器件器輸出電壓，報警器不發(fā)出報警聲；兩者未曾合上時，器件無霍爾電壓從而報警，以提示門未曾合上，安全出了問題。

3 光敏傳感器實驗

凡是能將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器稱為光敏傳感器，也稱為光電式傳感器，它可用于檢測直接由光強度變化引起的非電量，如光強、光照度等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物體形狀、工作狀態(tài)識別等。光敏傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，因而在工業(yè)自動控制及智能機器人中得到廣泛應(yīng)用。

光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。在光輻射作用下，電子逸出材料的表面產(chǎn)生光電子，稱為外光電效應(yīng)或光電子發(fā)射效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光電子并不逸出材料表面的光電效應(yīng)屬于內(nèi)光電效應(yīng)，包括光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)等。半導(dǎo)體材料的許多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化，幾乎大多數(shù)光電控制應(yīng)用的傳感器都是基于內(nèi)光電效應(yīng)的器件，通常有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等。

利用FB716-Ⅲ設(shè)計性(光電)實驗裝置，在盡量利用原有元器件的基礎(chǔ)上，增加少量元器件，便可實現(xiàn)應(yīng)用類實驗內(nèi)容的擴展，以擴充學(xué)生科技視野。

實驗內(nèi)容主要是研究光敏電阻、硅光電池、光敏三極管等光敏傳感器的伏安特性、光照特性，以及若干具體應(yīng)用電路。

3.1 光敏傳感器的基本特性

光敏傳感器的基本特性包括：伏安特性、光照特性、光譜特性、溫度特性、頻率特性、暗電阻、亮電阻、響應(yīng)時間等[16]。因教學(xué)對象為理工科低年級學(xué)生，結(jié)合理工科大學(xué)物理實驗教學(xué)基本要求，宜安排掌握光敏傳感器伏安特性和光照特性的測量方法，為合理應(yīng)用光敏傳感器打好基礎(chǔ)。除伏安特性在基礎(chǔ)實驗中測試過外，學(xué)生需補充光度學(xué)的初步知識，學(xué)會暗筒中相對(光)照度的標(biāo)定、開路電壓、短路電流和取樣電阻等實際工作測量等內(nèi)容，實驗的實用性很強，對學(xué)生是一次很強的技能訓(xùn)練[17]。圖4所示為一種光控電路原理圖。

3.2 應(yīng)用電路

光敏電阻是最常用的光敏傳感器，以其為例進行介紹。光敏電阻器又稱光導(dǎo)管，是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感。其電阻值能隨著外界光照強弱或環(huán)境明暗的變化而變化。它在無光照射時，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光照射時，其電阻值迅速減小。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換，即將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化等方面。

圖4 光控電路原理圖

它廣泛應(yīng)用于各種自動控制電路、家用電器及各種測量儀器中。圖5所示為光控變音電路原理圖。

圖5 光控變音電路原理圖

在原裝置已有光纖與光敏三極管傳輸實驗基礎(chǔ)上，增加了光敏電阻的簡易測光電路、光控變音電路等[18]，供學(xué)生實驗，在器材充足的情況下也可讓學(xué)生自己設(shè)計各種功能電路來做實驗。

4 結(jié) 語

在當(dāng)前工科專業(yè)物理實驗課程教學(xué)中，均存在學(xué)時少與課時少等問題，使得大學(xué)物理實驗項目偏少，學(xué)生所做實驗內(nèi)容針對性也不強。除積極爭取學(xué)時外，挖掘?qū)嶒灲虒W(xué)中的潛力，成為了一種可行的辦法?；魻杺鞲衅鲗嶒?，已經(jīng)作為設(shè)計性實驗進入物理實驗課程教學(xué)，一些趣味性簡單的科技作品，豐富了物理演示實驗的內(nèi)容。溫度傳感器和光電傳感器實驗，因其物理思想性強，設(shè)計能力要求高等特點，現(xiàn)作為物理設(shè)計性實驗的補充內(nèi)容。這些設(shè)計實驗還訓(xùn)練了學(xué)生科技論文排版寫作等方面的能力。

經(jīng)過近兩年的教學(xué)實踐，在物理實驗教學(xué)中開展傳感器相關(guān)演示實驗的展示，以及開發(fā)與現(xiàn)代應(yīng)用接軌的傳感器技術(shù)相關(guān)的設(shè)計實驗內(nèi)容，使得學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗課程的興趣大大提高，有利于工科學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)技術(shù)實驗類課程的銜接，積極訓(xùn)練了學(xué)生的動手、動腦和分析能力。這些探索和嘗試已經(jīng)取得了積極效果。

[1] 錢志鴻, 王義君. 面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J]. 電子與信息學(xué)報, 2013(1): 215-227.

[2] 孫 亭, 楊永田, 李立宏. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2006(6): 1-5，11.

[3] 孫圣和. 現(xiàn)代傳感器發(fā)展方向[J]. 電子測量與儀器學(xué)報, 2009(1): 1-10.

[4] 張 麗, 潘華錦, 齊建英. 大學(xué)物理實驗中傳感器綜合實驗教學(xué)改革初探[J]. 實驗室科學(xué), 2013(6): 78-80.

[5] 劉 波, 曹 燕, 眭永興. 大學(xué)物理實驗中的傳感器實驗探索[J]. 江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008(3): 26-28.

[6] 張 麗, 潘華錦, 張慶海. 大學(xué)物理實驗中傳感器綜合實驗內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù), 2013(6): 101-103.

[7] 楊 鑫, 林曉瓏, 何春鳳, 等. 電阻傳感器物理原理驗證及應(yīng)用設(shè)計性實驗研究[J]. 大學(xué)物理, 2013(11): 33-36.

[8] 成 娟. 傳感器技術(shù)在大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用[J]. 電子測試, 2013(10): 131-132.

[9] 陳余行, 李銘濤, 肖佑升. 傳感器在物理實驗中的應(yīng)用探討[J]. 上海工程技術(shù)大學(xué)教育研究, 2010(4): 33-35，49.

[10] 周勝海, 黃學(xué)玉. 大學(xué)物理實驗中的傳感器設(shè)計[J]. 大學(xué)物理實驗, 1998(4): 43-44，46.

[11] 王恩信, 荊玉蘭, 王鵬程, 等. NTC熱敏電阻器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 電子元件與材料, 1997(4): 3-11.

[12] 席 軍, 劉廷華. PTC熱敏電阻的開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 塑料, 2005(4): 79-84.

[13] 張 欣, 陸申龍. 新型霍爾傳感器的特性及在測量與控制中的應(yīng)用[J]. 大學(xué)物理, 2002(10): 28-31.

[14] 吳騰奇. 霍爾傳感器及其應(yīng)用[J]. 傳感器世界, 1997(1): 28-34.

[15] 饒益花. 霍爾傳感器及其在物理實驗中的應(yīng)用[J]. 大學(xué)物理實驗, 2004(3): 1-3.

[16] 黃文奇,楊 虹. 光敏傳感器實驗課程改革探索[J]. 大學(xué)物理實驗, 2016(1): 119-121.

[17] 周 紅, 楊衛(wèi)群, 沈?qū)W浩, 等. 光敏電阻基本特性測量實驗的設(shè)計[J]. 物理實驗, 2003(11): 9-11.

[18] 陸建敏. 光敏傳感器的應(yīng)用——聲光控開關(guān)電路[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展, 2012(18): 36-39.

歡迎賜稿，歡迎訂閱，歡迎刊登廣告！

Review on College Physics Experiments of the Applications of Sensors

LIAng,WANGTianhui,WANGLiang,ZHANGYajun,PENGShuxiu

(Physics Experiments Center, Zhuhai College of Jilin University, Zhuhai 519041, Guangdong, China)

Temperature sensor, Holzer sensor and photoelectric sensor are more commonly used sensor types. In university physics experiment courses, sensor experiments are also gradually popularized. By reviewing the physical principles, highlighting their role as sensitive elements, combined with the basic physical experiments, simple physics demonstration experiments or designing physics experiments are presented. Through applying these sensor experiments in university physics experiment teaching, curriculum content, students' practical and analytical ability skills training are enriched. Positive results have been achieved.

engineering; physics; experiments; sensors; temperature; Holzer effect; photoelectric effect

2016-04-18

吉林大學(xué)珠海學(xué)院教學(xué)質(zhì)量工程項目(ZLGC20130601)

李 昂(1980-)，男，遼寧朝陽人，雙碩士，副教授。主要研究方向：大學(xué)物理及大學(xué)物理實驗教學(xué)。

Tel.:0756-7629635; E-mail:jlulyon@163.com

TP 212.1

A

1006-7167(2017)03-0217-04