工科物理实验教学中传感器应用实验综述

李 昂， 王天会， 汪 亮， 张亚军， 彭庶修

(吉林大学 珠海学院 物理实验中心， 广东 珠海 519041)

工科物理实验教学中传感器应用实验综述

李 昂， 王天会， 汪 亮， 张亚军， 彭庶修

(吉林大学 珠海学院 物理实验中心， 广东 珠海 519041)

温度传感器、霍尔传感器与光敏传感器作为常用的传感器类型，在大学物理实验课程中已逐渐普及。通过综述其物理原理，突出它们作为敏感元件的作用，结合物理实验的基础性，给出简易的演示物理实验或设计性实验内容。将其应用于大学物理实验教学中，丰富了课程内容，训练了学生的动手、动脑和分析能力，已经取得了积极效果。

工科； 物理； 实验； 传感器； 温度； 霍尔效应； 光电效应

0 引 言

传感器是借检测元件(敏感元件)将被测对象的一种信息按一定的规律转换成另一种信息的器件或装置。传感器所获取的信息通常有物理量、化学量和生物量等，而经转换后的信息多数为电学量，如电阻、电容、电感、电压、电流及频率或相位的变化等。

现代科学技术的飞速发展，给一些经典的理工科物理实验项目带来了新的内容和拓展空间。传感器种类丰富，应用也日益增多，而传感器所使用的敏感元件多利用了丰富的物理思想和原理[1-3]。而纵观国内理工科高校的大学物理实验教程，因所处基础课的地位，结合物理原理或物理效应的实验项目，多是在诠释物理原理的基础上，安排验证性实验内容，而对于其广泛应用却又浅尝輙止、一笔带过[4-6]。这样，虽突出了物理思想与原理，但往往没有现代技术中的具体应用实例，给人意犹未尽的感觉。例如，大学物理和物理实验教学中的霍尔效应与霍尔效应测磁场内容，在大学物理中原理讲得透彻，但实验中只安排验证霍尔电势差与工作电流成正比，及测量磁场，或测量电磁铁铁芯气隙中的磁场与励磁电流成正比。要知道用霍尔传感器测磁场只是它的一项应用，霍尔传感器在自动检测控制中有着广泛应用。因而，从实验的角度来说，挖掘实验教学中的潜力，开发几个应用的小实验，作为演示实验放在实验室中给学生演示，以引起学生的学习兴趣，拓宽他们的知识面。通过物理实验教学改革，以传感器的应用为内容，寻找实验主题，开发新的设计性物理实验项目[7-11]。

温度传感器、霍尔传感器与内光电传感器都是较为常用的传感器类型。

1 温度传感器实验

温度是一个基本物理量，它的计量和检测在科学技术与工农业生产中有重要的意义和广泛的应用。传统的温度计量是利用某些物质的特性随温度变化而计量温度。而现代的测温技术，则是将温度信号转化为电信号以检测和记录，温度信号转化为电信号则离不开热敏元件和温度传感器。由于测温的范围宽广，因此，温度传感器的品种繁多，这里以物理实验中温度100℃以下的温度检测为例进行描述。

1.1 热敏电阻实验

热敏电阻是指对温度敏感的半导体材料制成的电阻，一般按温度系数分为：负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系数热敏电阻(PTC)和临界温度系数热敏电阻(CTR)。NTC热敏电阻生产最早、最成熟、使用范围也广，最常见的是由金属氧化物组成的，如：锰、钴、铁、镍、铜等二、三种的氧化物混合烧结而成。PTC热敏电阻是指呈正温度系数的热敏电阻。最常用的PTC热敏电阻是钛酸钡陶瓷中加入施主杂质、增大电阻温度系数的受主杂质以及居里点移动剂而制成。CTR热敏电阻是一种具有开关特性的负温度系数热敏电阻。当达到阻值急剧转变温度时，引起半导体金属相变。同PTC热敏电阻一样，利用这种特性可以制成无触点开关。热敏电阻可以根据使用要求封装加工成各种形状的探头，如珠状、片状、杆状、锥状以及针状等。因而热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点，多用于测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等[11-12]。

在实验室已有的FB716-Ⅰ型设计性(热学)实验装置的基础上，适当扩充应用性实验内容，以达到学习热敏传感元件的物理原理、热学特性，初步了解它的应用等目的。

实验内容安排为测试负温度系数热敏电阻的温度特性，即输出电压与温度的关系、拟合出曲线。在原有器件的基础上增加少量元件，可开设出简单易做、效果十分显著的温控实验以说明它的应用，对于电类专业的低年级学生很有启发作用。

1.2 电子温控开关

电子温控开关电路如图1所示。它是由3只三极管组成的直接耦合电路。当环境温度在设定温度以下时，三极管VT1导通，VT2也导通。它的集电极电压在0.3V以下，因此三极管VT3截止，LED不亮，相当于开关断开。如果环境温度上升，热敏电阻的电阻值随之减小，这样三极管VT1的基极电压就会升高，由于VT1是PNP型三极管，故三极管VT1截止，三极管VT2的基极得不到工作电流也将截止，它的集电极电压升高，使三极管VT3饱和导通，这时LED点亮，相当于开关接通。

图1 电子温控开关原理图

1.3 IC集成(电压型)温度传感器LM35

利用硅集成电路工艺技术可以将感温电路、信号放大电路、电源电路、补偿电路等制作在一块芯片上，构成单片式硅集成温度传感器。集成温度传感器按输出信号形式分为电流型、电压型和频率型。它们的突出优点是：在其适用温区范围内具有灵敏度高、线性好、功能全和使用简单方便。无论电压输出、电流输出还是频率输出都适合于与微机直接接口。

这里以FB716-Ⅰ装置中已有的LM35温度传感器为例介绍。以LM35制作温度传感器的原理如图2所示。

在测试好LM35传感器温度特性、做出温度与输出电压的关系曲线、拟合出线性方程，可知其温度系数为10 mV/℃左右。以此知识为背景可设计出，以LM35为核心器件用数字万用表200 mV挡为显示部分的电子温度表。当然，若要将两者配合使用，要解决电源、分压器与温度标定等诸多问题，这部分内容可作为学生的设计性内容安排学生实验。扩充了原有实验装置的实验功能，是非常好的物理设计性实验。

2 霍尔传感器实验

霍尔效应在大学物理和物理实验的教学中，都是必讲和必做的教学内容。在教学中突出的是它的物理原理，和在测磁场中的应用，由于物理教学内容的局限，课程不涉及在其他领域的应用。实际上，随着集成电路制造技术的飞速发展，依据霍尔原理设计的霍尔元器件在自动控制中有广泛的应用[13-15]。若在掌握霍尔原理的基础上，课堂教学中增加简单的应用演示实验，拓宽学生的科技视野，引起他们对物理原理的兴趣与重视。

霍尔传感器分为3类：集成线性霍尔传感器、集成开关型霍尔传感器和集成霍尔锁存器。这里以集成开关型霍尔器件的应用为例进行介绍。霍尔传感器实验原理框图如图3所示。

图3 霍尔传感器实验原理框图

2.1 测转速电路

由于霍尔元器件依据电磁效应，必须有磁场配合，可选高磁性的钕铁硼小磁粒配套使用，如U3144集成开关型霍尔器件表面线度小，配上直径3 mm的小磁粒使用很方便。

在实验器材选择上可测仪表风扇的转速。在风扇的转轴上固定小磁粒，在其上方固定主要以U3144为核心元器件的检测电路，当磁粒经过U3144时，感应出霍尔电压，在风扇转动中形成方波脉冲，则可使用实验室已有可频率测量的数字万用表，或用示波器可显示出相关的数据。

为培养学生的实验技能，在单摆与三线摆的实验中，对周期测量往往安排用秒表测量，在用秒表测量实验之外，在教室中放上实验室自己开发的用霍尔元器件测单周期摆和三线摆的装置，演示用霍尔元器件配小磁粒测单摆或三线摆的周期。实际上这套装置与前面介绍的风扇转速的装置是完全通用的。

2.2 开门报警器电路

将小磁粒装在门框上，霍尔元器件装在门上，当门合上时霍尔器件器输出电压，报警器不发出报警声；两者未曾合上时，器件无霍尔电压从而报警，以提示门未曾合上，安全出了问题。

3 光敏传感器实验

凡是能将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光强度变化引起的非电量，如光强、光照度等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。

光敏传感器的物理基础是光电效应，光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。在光辐射作用下，电子逸出材料的表面产生光电子，称为外光电效应或光电子发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电子并不逸出材料表面的光电效应属于内光电效应，包括光电导效应、光生伏特效应等。半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化，几乎大多数光电控制应用的传感器都是基于内光电效应的器件，通常有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等。

利用FB716-Ⅲ设计性(光电)实验装置，在尽量利用原有元器件的基础上，增加少量元器件，便可实现应用类实验内容的扩展，以扩充学生科技视野。

实验内容主要是研究光敏电阻、硅光电池、光敏三极管等光敏传感器的伏安特性、光照特性，以及若干具体应用电路。

3.1 光敏传感器的基本特性

光敏传感器的基本特性包括：伏安特性、光照特性、光谱特性、温度特性、频率特性、暗电阻、亮电阻、响应时间等[16]。因教学对象为理工科低年级学生，结合理工科大学物理实验教学基本要求，宜安排掌握光敏传感器伏安特性和光照特性的测量方法，为合理应用光敏传感器打好基础。除伏安特性在基础实验中测试过外，学生需补充光度学的初步知识，学会暗筒中相对(光)照度的标定、开路电压、短路电流和取样电阻等实际工作测量等内容，实验的实用性很强，对学生是一次很强的技能训练[17]。图4所示为一种光控电路原理图。

3.2 应用电路

光敏电阻是最常用的光敏传感器，以其为例进行介绍。光敏电阻器又称光导管，是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。其电阻值能随着外界光照强弱或环境明暗的变化而变化。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换，即将光的变化转换为电的变化等方面。

图4 光控电路原理图

它广泛应用于各种自动控制电路、家用电器及各种测量仪器中。图5所示为光控变音电路原理图。

图5 光控变音电路原理图

在原装置已有光纤与光敏三极管传输实验基础上，增加了光敏电阻的简易测光电路、光控变音电路等[18]，供学生实验，在器材充足的情况下也可让学生自己设计各种功能电路来做实验。

4 结 语

在当前工科专业物理实验课程教学中，均存在学时少与课时少等问题，使得大学物理实验项目偏少，学生所做实验内容针对性也不强。除积极争取学时外，挖掘实验教学中的潜力，成为了一种可行的办法。霍尔传感器实验，已经作为设计性实验进入物理实验课程教学，一些趣味性简单的科技作品，丰富了物理演示实验的内容。温度传感器和光电传感器实验，因其物理思想性强，设计能力要求高等特点，现作为物理设计性实验的补充内容。这些设计实验还训练了学生科技论文排版写作等方面的能力。

经过近两年的教学实践，在物理实验教学中开展传感器相关演示实验的展示，以及开发与现代应用接轨的传感器技术相关的设计实验内容，使得学生学习物理实验课程的兴趣大大提高，有利于工科学生继续学习技术实验类课程的衔接，积极训练了学生的动手、动脑和分析能力。这些探索和尝试已经取得了积极效果。

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Review on College Physics Experiments of the Applications of Sensors

LIAng,WANGTianhui,WANGLiang,ZHANGYajun,PENGShuxiu

(Physics Experiments Center, Zhuhai College of Jilin University, Zhuhai 519041, Guangdong, China)

Temperature sensor, Holzer sensor and photoelectric sensor are more commonly used sensor types. In university physics experiment courses, sensor experiments are also gradually popularized. By reviewing the physical principles, highlighting their role as sensitive elements, combined with the basic physical experiments, simple physics demonstration experiments or designing physics experiments are presented. Through applying these sensor experiments in university physics experiment teaching, curriculum content, students' practical and analytical ability skills training are enriched. Positive results have been achieved.

engineering; physics; experiments; sensors; temperature; Holzer effect; photoelectric effect

2016-04-18

吉林大学珠海学院教学质量工程项目(ZLGC20130601)

李 昂(1980-)，男，辽宁朝阳人，双硕士，副教授。主要研究方向：大学物理及大学物理实验教学。

Tel.:0756-7629635; E-mail:jlulyon@163.com

TP 212.1

A

1006-7167(2017)03-0217-04