成 娟

（四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，四川成都，610101）

傳感器技術(shù)同計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)被喻為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，計(jì)算機(jī)技術(shù)被比作人的大腦，通信技術(shù)超小型作人的神經(jīng)、而傳感技術(shù)則被比作五官、“五官”進(jìn)行信息采集，再通過“神經(jīng)”的傳輸，最后由“大腦”進(jìn)行處理。在信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微處理器技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，傳感器在自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中成為一種不可缺少和關(guān)鍵部件。

1 傳感器技術(shù)發(fā)展概況

從廣義上看，傳感器即是把光、熱、力等非電學(xué)物理量或者化學(xué)量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種元器件。傳感器的功能是將特定對(duì)象或某一過程的特定特性轉(zhuǎn)化為數(shù)量。這個(gè)“對(duì)象”既可以是氣體、也可以是液體或者固體，對(duì)象的狀態(tài)既可呈靜態(tài)，亦可呈動(dòng)態(tài)(過程)。在對(duì)象的特性被轉(zhuǎn)化成數(shù)量后，使可進(jìn)行各種方式的檢測(cè)。該對(duì)象特性既可為物理性質(zhì)特征，亦可為化學(xué)性質(zhì)。傳感器的工作原理就是把對(duì)象特性或者狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)，再將電信號(hào)分離并傳輸至傳感器系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)測(cè)或進(jìn)行標(biāo)示。

對(duì)測(cè)量環(huán)境而言，不同環(huán)境對(duì)傳感器的技術(shù)設(shè)計(jì)的要求也不相同，依據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)以及工作原理，對(duì)各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境共同的基本要求為：高靈敏度，高抗干擾性，高強(qiáng)度、良好的線性，易調(diào)節(jié)(即校準(zhǔn)簡(jiǎn)易)，精度高，可靠性強(qiáng)，無遲滯性，高耐用性，抗老化，具有可重復(fù)性，響應(yīng)速率高，抗各種環(huán)境影響（如熱、振動(dòng)、酸、堿、空氣、水和塵埃等)，良好的選擇性，安全性高，互換性強(qiáng)，低廉的成本低，具有寬泛的測(cè)量范圍及工作溫度范圍，尺寸小及重量輕。

2 傳感器在物理實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)用

物理實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)和諸多非電量都要用各種傳感器做檢測(cè)和進(jìn)行控制。如果能對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改革，在實(shí)驗(yàn)中使用恰當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎⑴c接口電路和計(jì)算機(jī)終端相連接，將會(huì)使實(shí)驗(yàn)過程得以優(yōu)化、提高實(shí)驗(yàn)的效果。

2.1 傳感器技術(shù)在熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

所謂的模擬溫度計(jì)就是通過金屬熱電阻傳感器將熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，再經(jīng)電位差計(jì)將其進(jìn)行顯示的一種裝置。

金屬熱電阻的構(gòu)成成份包括感溫元件、引出線、絕緣套管及接線盒，作為熱電阻中的主要部件之一，電阻感溫元件就是將細(xì)金屬絲纏繞于骨架之上，然后自感溫元件的內(nèi)部導(dǎo)出 2 至3 根線構(gòu)成感溫元件。導(dǎo)出的線具有的電阻值要求盡量小，銅熱電阻應(yīng)在 R0（R0 的涵義見下文）的 0.2%以內(nèi)。銅熱電阻適合于測(cè)量的溫度范圍在-50℃～150℃，在這個(gè)范圍之內(nèi)，電阻阻值同溫度呈線性關(guān)系，亦即 Rt=R0（1+αt），Rt 為溫度為 t℃時(shí)的銅熱電阻阻值；R0 為溫度是 0℃時(shí)的電阻阻值；α 是電阻的溫度系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中采用的是 Cu100（R0=100Ω）銅熱電阻。

首先按圖 2 進(jìn)行接線，直流穩(wěn)壓電源調(diào)至 2V，調(diào) r 使電橋于室溫條件保持平衡，將電位差計(jì)指向零。將感溫元件置于不同的已知溫度環(huán)境中，然后讀取與溫度相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)值，再依測(cè)得的數(shù)據(jù)畫出定標(biāo)曲線，如圖1。其次將感溫元件置于未知溫度環(huán)境，記錄下電位差計(jì)讀數(shù)，與定標(biāo)曲線進(jìn)行對(duì)照來確定未知溫度的數(shù)值。

在實(shí)驗(yàn)中取電阻值 R1=R2=R3=100Ω（分別由750Ω 標(biāo)準(zhǔn)電阻箱來提供），一個(gè)Cu100（R0=100Ω）和900Ω 滑線變阻器，一臺(tái)直流穩(wěn)壓電源，一個(gè)UJ31 型電位差計(jì)、一個(gè)光點(diǎn)檢流計(jì)。

圖1 銅電阻的定標(biāo)曲線

銅熱電阻的特點(diǎn)是高靈敏度、高穩(wěn)定性、價(jià)格低廉，所以適合于在測(cè)量非高溫、非腐蝕性、測(cè)溫元件的體積不受局限的環(huán)境中應(yīng)用。

2.2 傳感器技術(shù)在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

電壓傳感器的一項(xiàng)功能是可感知到外部信號(hào)電壓出現(xiàn)的高低變化,應(yīng)用電壓傳感器可依伏安法來測(cè)定未知電阻的阻值。依據(jù)歐姆定律R=U/ I,利用傳感器測(cè)量電阻時(shí),電流測(cè)量轉(zhuǎn)換為測(cè)量已知電阻兩端的電壓,此時(shí)接口電路中的輸入電阻要遠(yuǎn)高于被測(cè)的電阻，得出電阻兩端電壓的測(cè)量值及流過電阻的電流值就能計(jì)算出電阻阻值。以電壓傳感器B 上的地線連接電源的負(fù)極,以信號(hào)線連接電源的正極,以此測(cè)量電源電壓,用電壓傳感器B 另端連接接口箱以模擬通道B,以電壓傳感器A 連接接口箱以模擬通道C,傳感器信號(hào)線連接未測(cè)電阻Rx 及取樣電阻Ro 來計(jì)算電流。（傳感器A、B 都位于接口箱之內(nèi)）如圖2 所示,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行軟件,先輸入Ro 值,再按“讀數(shù)按鈕”獲取一組數(shù)據(jù),然后按“重測(cè)按鈕”來獲取多組數(shù)據(jù),最后求出平均值。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是過程十分簡(jiǎn)單,可俚語數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 用電壓傳感器測(cè)電阻

2.3 傳感器技術(shù)在信息圖像采集數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

以往物理實(shí)驗(yàn)中采集信息主要通過目測(cè)法、或通過顯微鏡、照相機(jī)和繪圖儀等儀器。實(shí)驗(yàn)中的誤差主要來自于人本身具有的觀測(cè)局限性而圖像傳感器CCD（即光-電耦合器）對(duì)光具有敏感性，使得CCD 具備了光電轉(zhuǎn)換，以及電荷存儲(chǔ)與傳輸?shù)裙δ?。而且，這種傳感器是一種固體成像儀器，其突出優(yōu)點(diǎn)是：精確的光敏光間隔，高靈敏度，廣泛的動(dòng)態(tài)范圍，易于同微機(jī)進(jìn)行接口。傳感器在實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)用使得實(shí)驗(yàn)主體由人變成了傳感器同計(jì)算機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)中被觀測(cè)到的信息能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持一種穩(wěn)定狀態(tài)，以利于進(jìn)行觀測(cè)與分析；而且圖像數(shù)據(jù)的采集過程同數(shù)據(jù)處理過程一氣呵成，使實(shí)驗(yàn)的精確度與效率得到極大提高。

3 結(jié)語

從上文可以看出，傳感器同接口電路及計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)合能對(duì)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過在線方式進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和制圖，新型的智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器由此誕生。通過些儀器能夠完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器不能完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并提高實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度。伴隨傳感器技術(shù)與微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器將在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)揮更廣泛的作用。

[1]劉鵬.傳感器在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].邢臺(tái)師范高專學(xué)報(bào)，2002(6).

[2]楊清梅,孫建民.傳感器與測(cè)量技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

[3]張洪潤(rùn),張亞凡.傳感器技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.