科學(xué)研究法在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用＊

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(duì)象與測(cè)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(guó)內(nèi)許多高校都開設(shè)傳感器課程，拓寬專業(yè)知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生在信息技術(shù)時(shí)代掌握接收、獲取信息的器件與裝置的基本知識(shí)與能力.

在講授傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)的課程中，筆者感受到該課程由于知識(shí)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(duì)所學(xué)的知識(shí)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(yùn)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(shí)點(diǎn)的難題，而且，教會(huì)學(xué)生如何分析問題，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)特性

磁電感應(yīng)式傳感器，是利用導(dǎo)體與磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).但是，對(duì)于這種由機(jī)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(dòng)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(cè)和分析力學(xué)振動(dòng)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(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的二階微分方程為

其中，v為系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度；Mm為運(yùn)動(dòng)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(jī)械振動(dòng)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(jī)械阻抗.

對(duì)比上面兩式，機(jī)械振動(dòng)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(cè)量卻有著本質(zhì)的差別，而這一點(diǎn)恰恰是需要學(xué)生理解的地方.

眾所周知，用電壓表測(cè)量電路的電壓和元件兩端的電壓時(shí)，是不干擾電路正常工作的；而測(cè)量電流則是將電流表串接在電路中.但是，對(duì)于力的測(cè)量，我們以彈簧測(cè)力計(jì)稱重來說明測(cè)力計(jì)是串接在被測(cè)的系統(tǒng)中；使用速度計(jì)測(cè)量物體的振動(dòng)速度時(shí)，是將速度計(jì)安放在振動(dòng)物體的表面，且其質(zhì)量遠(yuǎn)小于振動(dòng)體的質(zhì)量，不干擾振動(dòng)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(shí)應(yīng)用范圍

傳感器的靈敏度校準(zhǔn)，通常稱其為“標(biāo)定”，是傳感器應(yīng)用中的一個(gè)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(zhǔn)（標(biāo)定）的原理，這樣很難達(dá)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(shí)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(shí)踐，在講解教材內(nèi)容的同時(shí)，拓寬了所授知識(shí)的應(yīng)用范圍和用途.

以比較法校準(zhǔn)（標(biāo)定）為例.有的教材中對(duì)測(cè)振傳感器，在講述比較法校準(zhǔn)時(shí)，將被測(cè)傳感器與已知靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振傳感器一起放在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上（如圖1）.已知標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振傳感的靈敏度S0，在振動(dòng)臺(tái)的作用下，分別測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振傳感器輸出電壓U0和被校測(cè)振傳感器的輸出電壓Ux，于是被校測(cè)振傳感器的靈敏度Sx為［2］

圖1 比較法校準(zhǔn)測(cè)振傳感器靈敏度框圖

但是，關(guān)于式（3）的測(cè)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(kuò)大學(xué)生知識(shí)范圍，加深對(duì)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(gè)傳感器同時(shí)放在激振器上（圖1中為緊固在一起置放），然而，兩個(gè)傳感器的輸出電壓是分別在經(jīng)過兩個(gè)測(cè)量放大器（或前置放大器）后測(cè)量的，即使是同型號(hào)的測(cè)量放大器（或前置放大器），由于增益不一致，為比較法測(cè)量帶來了誤差.如果，將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振傳感器和被校測(cè)振傳感器先后依次放在振動(dòng)臺(tái)上，而保持振動(dòng)幅度不變，使用同一臺(tái)測(cè)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(shí)的結(jié)果中避免了因系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)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(zhǔn)靈敏度只是適用測(cè)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(zhǔn)待測(cè)傳聲器靈敏度來進(jìn)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(cè)量傳聲器靈敏度的框圖.標(biāo)準(zhǔn)傳聲器與待測(cè)傳聲器距揚(yáng)聲器一樣遠(yuǎn)的位置，信號(hào)發(fā)生器輸出一定頻率的電信號(hào)經(jīng)揚(yáng)聲器輻射為聲波，已知靈敏度為M0的標(biāo)準(zhǔn)傳聲器和待測(cè)傳聲器同時(shí)接收聲波后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)測(cè)量放大器放大輸出，由精密電壓表分別測(cè)出對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的測(cè)量放大器輸出電壓E0和對(duì)應(yīng)待測(cè)傳聲器的測(cè)量放大器輸出電壓Ex，即按照公式（3）求得待測(cè)傳聲器的靈敏度.

相同的道理，如果能采用同一臺(tái)測(cè)量放大器，并且保證依次放入聲場(chǎng)中的兩個(gè)傳聲器是處于相同的位置，保持揚(yáng)聲器的輸出幅度不變，就可消除因?yàn)閮蓚€(gè)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(zhǔn)靈敏度，可以推廣到對(duì)任何傳感器都適用，盡管所用的裝置不同，但是表達(dá)的形式是一樣的.

圖2 消聲室比較法測(cè)量傳聲器的靈敏度框圖

3 結(jié)語

限于篇幅，僅以部分實(shí)例進(jìn)行討論，筆者體會(huì)到對(duì)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(shí)結(jié)合，恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用所掌握的科學(xué)研究方法進(jìn)行講授，起到了加深理解和掌握教學(xué)內(nèi)容的作用.同時(shí)，筆者認(rèn)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(shí)，如能普及科學(xué)研究方法的思想，將會(huì)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(cè)技術(shù).北京：高等教育出版社，2002.223

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