科学研究法在传感器教学中的应用＊

吴胜举 曹 辉＊

（陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710062）

1 引言

传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，因此在信息领域发挥的作用与地位决定了它所具有的重要性.国内许多高校都开设传感器课程，拓宽专业知识面，培养学生在信息技术时代掌握接收、获取信息的器件与装置的基本知识与能力.

在讲授传感器原理与检测技术的课程中，笔者感受到该课程由于知识内容宽广、且在不同章节内容不具有连贯性和因果关系，因而学生在学习中对所学的知识内容，存在难以理解、易于混淆等问题.因此，在一些难于理解的关键内容，运用科学研究方法中的类比、归纳和演绎的方法来讲解，却能收到较好的效果.不但化解了知识点的难题，而且，教会学生如何分析问题，调动学习知识的兴趣和积极性.

2 科学研究法应用于传感器教学的举例

2.1 用类比法分析两种不同运动系统特性

磁电感应式传感器，是利用导体与磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势.但是，对于这种由机械和电磁组合的传感器，采用求解微分方程来研究系统的动态特性，不但方法复杂，而且求解也比较困难.在这种情况，可以借助电路图，应用类比的方法，用已掌握的电路特性来预测和分析力学振动规律，可以省去直接建立微分方程及其求解的困难.

描述质量、弹簧振子组成的机械系统运动的二阶微分方程为

其中，v为系统的运动速度；Mm为运动部件的质量；Rm为摩擦力阻；Cm为力顺，是弹簧劲度系数的倒数.

RCL串联振荡电路二阶微分方程为

其中，I为通过振荡回路的电流；Le为电感；Re为电阻；Ce为电容.

从机械振动二阶微分方程解得速度v和电路振荡方程解得I，然后根据Z＝求得电阻抗，Z＝em获得机械阻抗.

对比上面两式，机械振动与RLC串联振荡电路虽然分属两种不同的物理现象，却具有相同的微分形式，所得到的阻抗又具有相似的物理属性，因而就有如下的类比关系［1］

在上述类比中，物理量的测量却有着本质的差别，而这一点恰恰是需要学生理解的地方.

众所周知，用电压表测量电路的电压和元件两端的电压时，是不干扰电路正常工作的；而测量电流则是将电流表串接在电路中.但是，对于力的测量，我们以弹簧测力计称重来说明测力计是串接在被测的系统中；使用速度计测量物体的振动速度时，是将速度计安放在振动物体的表面，且其质量远小于振动体的质量，不干扰振动物的工作状态.显然，这样的解释使学生很容易理解相同与不同的地方.

2.2 用归纳法拓宽知识应用范围

传感器的灵敏度校准，通常称其为“标定”，是传感器应用中的一个关键环节.许多教材中或者不涉及这方面的内容，即使有此方面内容，也仅就一两种传感器来讲授校准（标定）的原理，这样很难达到举一反三的目的.如何通过已有教学内容的讲授来拓宽学生的知识范围，使学生明确所述方法和原理不仅适用教材给定内容，而且还具有普遍的使用意义，笔者根据已有的实践，在讲解教材内容的同时，拓宽了所授知识的应用范围和用途.

以比较法校准（标定）为例.有的教材中对测振传感器，在讲述比较法校准时，将被测传感器与已知灵敏度的标准测振传感器一起放在标准振动台上（如图1）.已知标准测振传感的灵敏度S0，在振动台的作用下，分别测得标准测振传感器输出电压U0和被校测振传感器的输出电压Ux，于是被校测振传感器的灵敏度Sx为［2］

图1 比较法校准测振传感器灵敏度框图

但是，关于式（3）的测量精度以及公式具有的普遍应用意义都没有涉及.为了扩大学生知识范围，加深对比较法的理解，可以从以下两方面来阐述.

（1）从图中不难发现，虽然，两个传感器同时放在激振器上（图1中为紧固在一起置放），然而，两个传感器的输出电压是分别在经过两个测量放大器（或前置放大器）后测量的，即使是同型号的测量放大器（或前置放大器），由于增益不一致，为比较法测量带来了误差.如果，将标准测振传感器和被校测振传感器先后依次放在振动台上，而保持振动幅度不变，使用同一台测量放大器接收并放大输出，同样按公式（3）获得待校传感器的灵敏度，但此时的结果中避免了因系统误差对测量带来的影响.

（2）为了避免学生片面的理解所讲述的比较法校准灵敏度只是适用测振传感器的问题，在上述基础上，以消声室内比较法校准待测传声器灵敏度来进一步说明公式（3）具有普遍意义.

图2所示的是在消声室比较法测量传声器灵敏度的框图.标准传声器与待测传声器距扬声器一样远的位置，信号发生器输出一定频率的电信号经扬声器辐射为声波，已知灵敏度为M0的标准传声器和待测传声器同时接收声波后转换为电信号，经测量放大器放大输出，由精密电压表分别测出对应标准传声器的测量放大器输出电压E0和对应待测传声器的测量放大器输出电压Ex，即按照公式（3）求得待测传声器的灵敏度.

相同的道理，如果能采用同一台测量放大器，并且保证依次放入声场中的两个传声器是处于相同的位置，保持扬声器的输出幅度不变，就可消除因为两个接收系统不一致而带来的误差.

由上述可以看到：比较法校准灵敏度，可以推广到对任何传感器都适用，尽管所用的装置不同，但是表达的形式是一样的.

图2 消声室比较法测量传声器的灵敏度框图

3 结语

限于篇幅，仅以部分实例进行讨论，笔者体会到对于一些容易产生困惑和难以理解的内容，将相关学科技术和知识结合，恰当的运用所掌握的科学研究方法进行讲授，起到了加深理解和掌握教学内容的作用.同时，笔者认为，作为自然科学基础之一的物理学，在讲授基本内容的同时，如能普及科学研究方法的思想，将会给学生带来更多的创造思维和能力.

1 杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础（第2版）.南京：南京大学出版社，2001.119～122

2 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.北京：高等教育出版社，2002.223

3 万平英.声频测量技术.北京：国防工业出版社，2006.45