光电传感器的新功能拓展

何欣城

传感器应用广泛，也是中学物理教学中的重要内容。光电传感器有计数功能，它所记录的物体通过光电门的次数，能否用于反映某种物理量，比如长度？

实际工程应用中的滚轮式测距仪，通过记录滚轮转过的圈数来换算走过的距离，正满足这样的转换，这是教师讲解传感器应用的一个极好的例子。但测距仪造价昂贵，设计复杂，不够简明直观。

如果在实验室常规传感器上装一个简单小巧的滚轮配件，就能很好地演示这个原理，有利于提高学习效果。同时，也为传感器实验器材拓展了新功能，有创新价值。

一、计数仪器的选取

实验室带计数功能的仪器通常有两种，即数字计时器和分组用的光电传感器。

1.数字计时器

数字计时器一般与气垫导轨配套使用，但常不被采用，原因有二：一是使用220V交流电源，严重制约了它的使用范围;二是计时器光电门使用红外线，其发光二极管和光电二极管外观几乎完全一样，难以分辨。

2.光电传感器

我校有杭州九二无线电厂出品的“J2482型传感器应用实验器”，其中包括光电传感器。它的光电门用发光二极管发光，光敏电阻接收。采用6V直流电源，体积较小。由于它的使用范围较大，所以我选定使用这种。

光电传感器的计数方式是：物体通过光电门一次，计数就加“1”，并不断累积。但滚轮应如何设计，才能让传感器在它转动时计数，且该计数能反映它通过的距离？

二、制作滚轮配件

滚轮转动要实现计数和测距的功能，其设计最关键。我在设计时提出了三个方案，如图1所示。

1.方案一

用一个边缘带缺口的圆轮作为滚轮，缺口与光电门的发光二极管及光敏电阻正相对时就能实现计数。

如果滚轮始终保持一个方向转动，传感器的计数每增加“1”，就意味滚轮前进了一个周长的距离。但实际测距仪需适应包括野外等各种环境，如果滚轮边缘上的缺口被淤泥等堵塞，就无法正常工作。这个设计虽然能基本达到目的，但并不符合实际。

2.方案二

将边缘的小缺口向圆心靠近，让其变成滚轮上的小洞，就减少了被堵塞的可能。滚轮转动时，小洞的角速度与滚轮边缘某一点的角速度一致，所以实现的功能并没有改变。

但因为滚轮上只有一个小洞，意味着滚轮要转足一圈，计数器计数才增加“1”。把精确度定为1dm，周长就只能是1dm，这样的滚轮太小了。

3.方案三

在方案二的基础上加以改进，我决定在滚轮上多开几个小洞。

如果在滚轮上开4个小洞，让滚轮周长为4dm，半径约为6.4cm，滚轮面积较于在上面钻孔。滚轮转一圈是4dm，经过一个小孔是1dm，也就是计数每增加“1”，滚轮就前进1dm的距离。

最终，我确定的滚轮方案是半径为6.4cm的塑料圆盘（可订制），在上面钻5个孔，中心一个，周围4个呈十字分布，各距离中心2.5cm，每个孔的直径都为5mm（5mm是发光二极管等元件的大致直径）。

找一个废旧的木圆规，将圆规的一脚拆下后，正好适合装滚轮。如图2所示，在滚轮左侧的圆规上安装一个发光二极管，并串联一个R=200Ω的电阻;右测则安装一个光敏电阻Rg。发光二极管、光敏电阻、光电传感器与电源按照图3相连。

滚轮上4个小洞距圆心的距离相同。滚轮转动时，小洞如果到达二极管和光敏电阻的连线处，二极管的光就直射光敏电阻，使光敏电阻阻值变小，通过的电流变大。继续转动，小洞离开该位置时，光被挡住，光敏电阻阻值恢复正常，通过的电流变小，此时，传感计数器便在个位上增加“1”。当下一个小洞通过该位置时，滚轮就已经前进1dm，所以，增加“1”表示前进1dm。

测距时，滚轮应保持一个方向转动，并确定滚轮的初始位置，以避免出现偏差。我在滚轮上加了一道黄线，使用前，将滚轮转到黄线与手柄前侧平行处，按传感器上的清零键。测量时按箭头方向前进，保证测量的准确性。

三、创新点

滚轮式光电测距原理演示仪有以下优点。

1.效果明显，简易直观

在粤教版物理教材中，必修一的光电门、选修3-2的传感器都可使用本测距仪做演示，效果明显，原理简单，而且方便讲解。

2.拓展原器材功能，易于规模化

将此测距仪作为数字计时器、传感器探究实验器等仪器的新配件，就可给它们加上测量距离的新功能，且不需要增加太多的成本。