第２６卷第１期 大学物理实验 ＶｏＩ．２６ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１３ ２０１３年２月 ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ＯＦ ＣＯＬＬＥＧＥ 文章编号：１００７—２９３４（２０１３）０１—００４６—０３ 器物理原理演示教学仪器的研制 林晓珑，白炳莲，杨 鑫，冯 毅 （吉林大学，吉林长春１３００２２） 摘 要：介绍了一种采用应变片、铂电阻、光敏电阻、磁敏电阻四种电阻型传感器来测量压力、温 度、照度、磁场的物理演示教学仪器，可以定量地演示出压力和应变片电阻值、温度和铂电阻阻值、照度 和光敏电阻阻值、磁场强度和磁敏电阻阻值之间的关系及给出电阻阻值与对应的物理量之间的曲线。 介绍了演示仪器的检测原理和结构，该仪器用于本科生教学，可以使学生将物理学理论与工程实际应用 有机结合起来，了解不同属性外场，引起电阻值的变化。拓展出形变、照度、温度、磁场检测等在工程技 术中的应用。 关键词：电阻型传感器；物理原理；演示教学仪器；研制 文献标志码：Ａ 中图分类号：Ｏ ５９ 在物理演示实验中，增加传感器原理及应用 的教学内容，可以使学生将物理学理论与工程实 际应用有机结合起来，激发低年级学生对专业学 习的兴趣，拓展低年级本科生的知识结构，有利于 激发学生的创新性，让学生受到科研工作的基本 力、电阻与温度、电阻与照度、电阻与磁场的变化 采用电桥电路或偏置电路转换成电压值，该电压 值经放大电路放大后由模拟量多路转换开关切换 输入到ＡＤ转换器中，转换成数字量被８９Ｓ５１单 片机系统运算处理后，由液晶显示屏显示出对应 训练，全面提高学生的科学素养和综合能力。 电阻型传感器是利用非电学量的变化，引起 传感元件的电阻值变化，从而把不易测量的非电 学量转化为电学量，便于测量。 电阻型传感器的种类很多，如：电阻型位移传 压力、照度、温度、磁场的电阻值及压力随应变片 电阻值、照度和光敏电阻阻值、温度和铂电阻阻 值、磁场强度和磁敏电阻阻值之间的关系曲线。 感器、电阻应变式传感器、电阻型湿度传感器、热 电阻温度传感器、光敏电阻传感器、磁敏电阻传感 器等。本文中的演示教学仪器采用应变片、铂电 阻、光敏电阻、磁敏电阻四种电阻型传感器，构成 电阻与压力、电阻与温度、电阻与照度、电阻与磁 场四个传感原理演示模块，用来定量演示：压力和 图１检测原理框图 １．１ 电阻与压力传感原理演示模块 应变片电阻值、温度和铂电阻阻值、照度和光敏电 阻阻值、磁场强度和磁敏电阻阻值之间的关系及 给出电阻阻值与对应的物理量之间的曲线，从而 应变片的工作原理是应变片的电阻随其机械 变形的大小发生变化，通过测量电路，将其转换为 电压或电流信号输出。 该模块结构及检测原理为将应变片Ｉ和应变 片Ⅱ用粘贴的方法固定在悬臂梁上、下两面构成 揭示传感器的物理原理及其应用。 演示仪器的检测原理与制作 演示仪器的检测原理如图１所示，电阻与压 收稿日期：２０１３—０１ ２５ 半桥电路的两个变化电阻，悬臂梁的端部安装有 砝码托盘，在其上放置不同重量砝码时，悬臂梁变 形量不同，导致应变片工和应变片Ⅱ的电阻发生 器物理原理演示教学仪器的研制 变化，使得其和两个固定电阻组成的半桥电路输 出电压值不同。该电压值经放大电路放大，由 ＡＤ转换器转换成数字量，经单片机系统运算处 理转换成电阻后由液晶显示屏显示出来，可以定 量演示出外力随每个应变片电阻值之间的变化规 律。图２所示电阻与压力传感原理演示模块结构 图，图３所示应变片信号输出电路＿１］。 应变片Ｉ 砝码 图２电阻与压力演示模块结构图 Ｂ ＋ Ｅ 图３应变片信号输出电路 １．２ 电阻与温度传感原理演示模块 铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化 时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的， 其优点是测温范围大，精度高。 该模块结构及检测原理：铜导热块和散热片 之间放置帕尔贴元件，铂电阻、标准温度传感器一 同插到铜导热块孔内，孔内填充导热硅胶，单片机 系统控制帕尔贴元件中的电流方向，可以使帕尔 贴制冷或加热，从而使铜导热块的温度从一１Ｏ℃ 到１００℃范围变化。用单片机系统控制帕尔贴温 度变化，并用标准温度传感器测出铂电阻的温度， 铂电阻的输出采用图３的电桥电路转换为电压 值，该电压值经放大电路放大，由ＡＤ转换器转换 成数字量，经单片机系统运算处理转换成电阻后 由液晶显示屏显示出来，定量演示出电阻与温度 之间的变化规律，形成温度和铂电阻阻值之间的 关系曲线。图４所示电阻与温度传感原理演示模 块结构图ｌ２］。 图４电阻与温度传感原理演示模块结构图 光敏电阻 图５ 电阻与照度演示模块结构图 １．３电阻与照度传感原理演示模块 光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料 制成的电阻型光电传感器，具有光电导效应。它 在无光照时呈高阻状态，暗电阻值一般可达 １．５ ＭＱ以上；随着光照强度的升高，电阻值迅速 降低，亮电阻值可小至１ ｋＱ以下。 模块结构及检测原理：将溴钨灯距光敏电阻 和照度传感器一定距离固定在暗盒中，灯丝和光 敏电阻及照度传感器等高，光敏电阻和照度传感 器共面放置。暗盒的上盖可以打开，使学生能观 察内部结构。用调压器不断改变溴钨灯的输入电 流，使光敏电阻处的光照强度变化，同时用照度传 感器测量光敏电阻处的照度值。由光敏电阻恒流 偏置电路，把光敏电阻的阻值变化转变为电压值， 该电压值经放大电路放大，由ＡＤ转换器转换成 数字量，经单片机系统处理转换成电阻后由液晶 显示屏显示出来，定量演示出照度和光敏电阻阻 值之间的变化规律，液晶显示屏显示出照度和光 敏电阻阻值之间的关系曲线［４］。 磁敏电阻及磁场传感器 图６光敏电阻偏置电路及放大电路 器物理原理演示教学仪器的研制 场强度和磁敏电阻阻值的变化规律，并显示出磁 敏电阻阻值随磁场强度的关系曲线 。 ２结 论 电阻型传感器物理原理演示教学仪器，不仅 可以提高学生对电阻概念的理解，还能够使学生 对电阻传感原理的异同及应用有更清楚的认识。 图７电阻与磁场传感原理演示模块结构图 可以拓展本科生的知识结构，了解不同属性外场， １．４ 电阻与磁场传感原理演示模块 引起电阻值的变化。同时可以拓展出若干在工程 磁敏电阻是利用半导体的磁阻效应制造的， 技术中的应用，如形变ｉ贝０量、照度检测、温度测量、 其阻值会随穿过它的磁通量密度的变化而变化。 磁场检测等，使学生受到科研工作的基本训练。 在弱磁场下，磁敏电阻的阻值与磁感应强度呈平 方关系；在强磁场下，磁敏电阻的阻值与磁感应强 参考文献： 度呈线性关系。 ［１］吴昊，郑靖．ＳＨＰＢ实验中应变片的应用和标定［Ｊ］． 如图７所示，该模块由燕尾导轨导向的丝杠 舰船电子工程，２０１０．５：１７２—１７４． 传动机构和磁敏电阻、磁场传感器及其固定座组 ［２］侯胜益，刘立英，李爽，等．非平衡电桥原理热敏电 成。丝杠两端用滚动轴承及其轴承座支撑，永久 阻温度计的计算机标准与标准定［Ｊ］．大学物理实 磁铁固定在沿着丝杠移动的滑块上，滑块依靠燕 验，２０１２（４）：９０～９２． 尾导轨导向，之间滑动配合，磁敏电阻和磁场传感 ［３］李江全，支民，丛锦玲，等．铂热电阻测温中的线性 器共面与永久磁铁等高固定在距永久磁铁一定距 化处理口］．石河子大学学报：自然科学版，２０００（２）： 离处。用手轮转动丝杠带动滑块上的永久磁铁移 １３８—１４１． 动，改变永久磁铁和磁敏电阻及磁场传感器之间 Ｅ４］胡涛，司汉英．光电探测器前置放大电路设计与研 的距离，从而改变磁敏电阻的外部磁场强度，导致 究口］．光电技术应用，２０１０．１：５２—５５． Ｉｓ］秦玉伟．一种基于ＩｎＳｂ磁敏电阻器的接近开关［Ｊ］． 磁敏电阻的阻值发生变化，单片机系统测量出磁 传感器与微系统，２０１２．５：１１８—１１９． 敏电阻的阻值，并通过磁场传感器测量距磁敏电 Ｅ６］陈余行．微位移任感器测固体线肱系数［Ｊ］．大学物 阻不同位置坐标点的磁敏电阻处的磁场强度，不 理实验，２０１１（２）：５６—５８． 断记下磁敏电阻的电阻值和外部磁场强度，并将 ［７］丁琪．智能任感器在大学物理实验中的应用［Ｊ］． 这些数据显示在液晶显示屏上，定量演示出磁 大学物理实验，２０１２（３）：７５—８Ｏ． Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｔｙｐｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＬＩＮ Ｘｉａｏ—ｌｏｎｇ，ＢＡＩ Ｂｉｎｇ—ｌｉａｎ，ＹＡＮＧ Ｘｉｎ，ＦＥＮＧ Ｙｉ （Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｅｓｓａｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ，ｐｌａｔｉｎｕｍ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｏｕｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒｓ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ．Ｉｔ ｃａｎ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ｄｅｍ— ｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｌａｔｉ— ｈｕｍ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ，ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ，ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ，ａｎｄ ｄｒａｗ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｑｕａｎ— ｔｉｔｙ．Ａｎｄ ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ ｉｎｓｔｒｕ— ｍｅｎｔ ｉｓ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｉｔ ｃａｎ ｈｅｌｐ ｔｈｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｃｏｍｂｉｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ ｏｕｔｆｉｅｌｄｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｇ— ｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
