传感技术与中学物理探究实验

第1章传感器简介 1.1传感器定义 传感器亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器，主要特征是能感知和检测某一形态的信息（电量或非电量），并将其转换成另一形态的信息。因此，传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使其按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。 （1）从传感器的输入端来看，一个指定的传感器只能感受规定的被测量，即传感器对规定的物理量具有*大的灵敏度和*好的选择性。例如，温度传感器只能用于测温，而不能同时受其他物理量的影响。 （2）从传感器的输出端来看，传感器的输出信号为“可用信号”。这里所谓的“可用信号”是指便于处理、传输的信号，*常见的是电信号、光信号等。可以预料，未来的“可用信号”或许是更先进、更实用的其他信号形式。 （3）从输入与输出的关系来看，输入与输出之间的关系应具有“一定规律”，即传感器的输入与输出不仅是相关的，而且可以用确定的数学模型来描述，也就是具有确定规律的静态特性和动态特性。 由传感器的定义可知，其基本功能是检测信号和进行信号转换。因此，传感器总是处于测试系统的*前端，用来获取检测信息，其性能将直接影响整个测试系统，对测量精确度起着决定性作用。 传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信号转换、信息处理，或者数据的显示与控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有自动检测和控制系统。近代电子技术和电子计算机为信息的转换与处理提供了极其完善的手段，近代检测与控制系统正经历着重大的变革，需要各种传感器去检测大量原始数据并提供信息，可见传感器有着巨大的应用价值。 1.2 传感器技术在中学物理实验中的作用 人类的发展和进步是建立在工具和手段的进步之上的。时代在变化，科学在进步，应用于教学领域的技术手段也在不断更新，人们不断地运用各种工具和仪器延伸着自己器官的感知范围和准确度，传感器就是其中的一种。科技的发展推动了传感器技术的广泛应用，我国在物理新课程改革的过程中也非常重视传感技术、信息技术、计算机技术等在物理实验中的应用，在物理课程标准中使用了诸如“了解”“知道”“列举”“分析”“调查”“制作”等词汇来描述对传感器及其教学的要求。例如，在选修1-1的“电磁技术与社会发展”部分中明确提出“了解常见传感器及其应用，体会传感器的应用给人们带来的方便，知道温度传感器具有将温度信号转变为电信号的作用”。在选 修3-2中专门列出了关于传感器的内容标准，提到“知道非电学量转换成电学量的技术意义；通过实验，知道常见传感器的工作原理，通过实验认识温度传感器将温度信号转变为电信号的作用；列举传感器在生活和生产中的应用，了解光敏传感器及其在日常生活中的应用”。由此可见，将传感器融入中学物理课程以及实验教学的做法已经成为一种共识，成为新课程改革的重要内容，也是我国物理教育研究领域的新趋势。 1．运用传感器技术可使抽象的物理过程和概念具体化 美国PASCO公司生产的PASCO传感器系统和上海朗威DISLab传感器系统提供的先进技术手段突破了传统实验手段的限制，大幅度改进原来做不出、做不好的实验。传感器系统的基本结构为“传感器+数据采集器+计算机”，以一系列传感器替代了传统的测量仪器，能够完成力、热、声、光、电、位移、磁感强度、辐射等多种物理量数据的采集。传感器数据通过四通道数据采集器处理后上传到计算机，由教学软件进行实时的处理与分析。利用传感器技术可将抽象的物理过程和概念具体化变成学生“看到现象”，帮助他们总结出物理规律，以唤起学生对物理学的兴趣。 2．运用传感器技术可使微观现象直观化 在中学物理实验中有许多物理过程是一种微观变化的过程，肉眼无法观察到，如音叉振动形成的“拍”现象；两个滑块发生碰撞前后速度变化过程等，利用声传感器和速度传感器，可直接在计算机上清晰地看到这一过程，栩栩如生，一目了然。传感器技术发挥了其独特的作用，极大地扩展了实验的可视性和重复性，信息技术给物理量的测量带来了革命性的变化，不但简单方便，而且调动了学生的科学探究的主动性。 3．运用传感器技术可使暂态现象凝固化 在物理实验教学中，像自感现象、电磁振荡、阻尼振动等许多暂态过程由于比较抽象，用传统的实验手段和方法难以观察，物理现象不能够清晰地展现在学生面前，以造成学生对物理规律认识上的难点。如果将传感器引入暂态现象实验中，将物理过程的瞬间变化凝固下来，让学生仔细观察和分析。通过“看到”物理现象，正确理解和认识物理规律。 4．运用传感器技术可使定性实验定量化 利用传感器测量的各种物理量都要经过采集器进行处理后才能变为计算机能够储存和处理的数据，从数据的测量到采集再到处理，都是在系统内部完成的，避免了传统实验仪器由于估读时人为引进的各种测量误差，使实验结果更精确、可靠。在传统物理实验操作过程中，虽然能观察到实验过程出现的现象，但很难进行定量化处理。使用数字化传感技术，可以采集到实验整个过程的完整数据，通过数据的分析可以感受实验全程的变化，从而可以得到更加精确、科学的结论。将计算机与手持技术仪器联用时，传感器可以精确地测量与传递实验中所测定的各种实验参数，所得实验数据将通过数据采集器转到计算机中，计算机经由配套软件将数据以表格和图像的形式呈现，并进行分析处理。 5．运用传感器技术可使学生有效开展探究实验 实验探究教学是指在教师引导下，学生运用已有的物理知识和技能，通过自己设计实验方案、进行实验操作、处理和分析数据、解决物理问题和探索结论的一种教学模式，让学生体验到“提出问题—实验设计—实验探究—获得结论”等环节的科学探究过程，初步掌握科学研究的方法。传统条件下，相当一部分探究过程中学生探究需求受到限制，可进行科学探究实验的内容相对较少，而且定性、模糊的研究较多。科学探究实验与传感器技术有较大的关联度，将数字传感器技术引入科学探究实验，不仅是让学生亲历探究活动更有保证，而且可以拓展研究内容，更好地满足学生的创新欲望；降低实验难度，提高实验效率，让学生有更多的时间和精力反思、交流自己和同伴的探究过程，整理、分析实验现象和数据，完成对新知的自主建构；创新实验方法，拥有更多定量实验的机会，让学生探究活动更接近科学本质。 1.3 传感器的构成 传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用输出的转换元件以及相应的基本转换电路所组成，如图1-3-1所示。 图1-3-1 传感器组成 （1）敏感元件：直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。 （2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、光强等）转换成电路参数（如电阻、电感等）或电量。 （3）基本转换电路：将电路参数转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 通常，传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。 1.4 传感器的分类 传感器种类繁多，按照不同的划分标准，具有不同的分类方式。目前采用较多的传感器分类方法主要有四种。 1．按能量供给形式分类 按能量供给形式分为：无源传感器和有源传感器。无源传感器只是被动地接收来自被测物体的信息；有源传感器则可以有意识地向被测物体施加某种能量，并将来自被测物体的信息变换为便于检测的能量后再进行检测。 2．按功能角度分类 可将传感器分为：电传感器、磁传感器、位移传感器、压力传感器、振动传感器、声传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感器、真空度传感器、温度传感器、湿度传感器、光传感器、射线传感器、分析传感器、仿生传感器、气体传感器和离子传感器等。 3．按使用材料分类 可将传感器分为：陶瓷传感器、半导体传感器、复合材料传感器、金属材料传感器、高分子材料传感器。 4．按技术特点分类 可将传感器分为：电传送、气传送或光传送、位式作用或连续作用、有触点或无触点、模拟式或数字式、常规式或灵巧式、接触式或非接触式、普通型、隔爆型或本安型（本质安全型）等传感器。 1.5 几种常见传感器的工作原理 1．电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是应用*广泛的传感器之一，利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、力矩、位移、加速度、质量和温度等非电量参数。这类传感器的种类很多，大致可分为电阻应变式、压阻式和热电阻式传感器。电阻应变式传感器的原理是基于电阻应变效应，即导体在受到外界拉力或压力的作用时会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种导体材料因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。 已知导体材料的电阻可表示为 当外力作用时，导体的电阻率、长度l、截面积S都会发生变化，从而引起电阻值R的变化，通过测量电阻值的变化可以检测出外界作用力的大小。电阻丝受轴向力作用时形变情况如图1-5-1所示，若轴向拉长，径向缩短，电阻率增加，电阻值的变化为，将引起电阻的相对变化为 （1-1） 轴向应变为 截面积相对变化量为 图1-5-1 电阻丝受轴向力作用时形变情况 由材料力学相关知识可知，在弹性范围内金属的泊松系数可表示为金属受力时的轴向应变和径向应变关系，即 横向变形系数为 将泊松系数和横向变形系数代入式（1-1）中得 （1-2） 或用单位应变引起的相对电阻变化表示为 （1-3） 令金属电阻丝应变片的灵敏系数为 （1-4） 由式（1-4）可见，金属丝灵敏系数主要由材料的几何尺寸决定。受力后材料的几何尺寸变化为，电阻率的变化为。对于金属电阻丝，泊松系数范围在（钢的泊松系数），由于有，因此，金属电阻丝的灵敏系数可近似写为。 由于应力正比于应变，应变又与电阻变化率成正比，即应力正比于电阻的变化。通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量转换为应力、应变进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。 2．电容式传感器 电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，电容式传感器所具有的优点将得到进一步体现，而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。它不仅广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。 平板式电容器是由两个金属极板、中间混夹一层电介质构成的，如图1-5-2所示。若在两极板间加上电压，电极上就储存有电荷，所以电容器实际上是一种储存电场能的元件。平板式电容器在忽略其边缘效应时的电容量可用下式表示： （1-5） 式中，S为电容器两极板的遮盖面积（m2）；为介质的相对介电常量；为真空的介电常量（）；d为极板间距离（m）。 图1-5-2 平板式电容器