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摘 要：实验中准确、快速、方便的获取信息是实验成功的前提。在传统的大学物理实验教学内容中使用传感器件，就可以取得理想的实验数据和教学效果。本文介绍了几种传感器件及它们在大学物理实验中的应用。
关键词：传感器 霍尔元件 杨氏模量 磁阻效应 力敏传感器 光敏元件
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-9795(2011)03(b)-0000-00
为使大学物理实验教学内容适应当今高科技的发展，在实验中溶入紧密结合实际的综合、设计性实验内容的做法被各高校广泛采用。这些新内容大量应用了传感器，不仅提高了实验教学水平，也使实验教学更贴近生活实际。下面介绍几个实验中所使用的传感器件。
1 霍尔元件测量通电螺线管内的磁场分布实验
将一块厚度0.2mm左右的半导体簿片（硅片或锗片），一边通以电流I,另一边引出两电极，并将其放在磁感应强度的磁场中，另一边电极产生电位差，一现象称为霍尔效应，这个电位差称为霍尔电位差。可表示为（霍尔电位差，霍尔元件灵敏度，磁感应强度）。实验中，将霍尔元件在通电的螺线管中缓慢移动，用电压表和电流表分别测出和，就可以计算出此时霍尔元件所处位置的磁感应强度。利用霍尔元件能将磁信号转换成电信号这一特性，还可以制作成直接测量磁感应强度的特斯拉计。
2 霍尔元件位置法测金属杨氏模量实验
将霍尔元件固定在金属杆一端，杆的另一端与矩形金属框相接，金属框压在待测金属横梁上，框的下端可加挂砝码；霍尔元件放在两块平行放置的磁铁（同极性相对）中线上，此处磁场为零，则霍尔元件的输出电压也为零。加挂砝码后，金属梁在金属框拉力的作用下发生微小弯曲，此时霍尔元件则偏离磁铁中心线，即其在磁铁中的位置距离产生微小变化（磁场不再为零），霍尔元件产生电压信号输出。由于霍尔元件的输出电压与其在磁铁间的距离变化成比例，从而可以利用这一函数关系测量出金属的杨氏模量。
3 地磁场测量实验
地磁物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，则构成了磁阻传感器，该传感器测量出与管脚平行方向的磁场。先将电桥输出连接运算放大器并将信号放大输出。输出的信号电压与磁场强度B呈线性关系：（其中和为常数），利用此函数关系式可以计算出水平和垂直方向上的地磁场和地磁倾角等参数。
4 拉脱法测量液体表面张力实验
将压力传感器与数字电压表连接，在压力传感器工作范围内，力与输出电压呈线性关系。再将浸入液体内的环形的金属铝环加挂在压力传感器上，缓慢降低液面高度，记录下金属环脱离液面瞬间电压和脱离后电压，代入公式：
（B为力敏传感器灵敏度）求出液体表面张力f，从而求出液体表面张力系数。
5 PN结数字温度计的设计实验
PN结构成的二极管的伏安特性对温度有很大的依赖性，利用这一点可以制成PN结温度传感器。当通过PN结一恒定小电流（通常I0≈100ｕA），可以得到和近似满足线性关系：，即PN结温度每升高C，结电压下降约2mv。实验中采用非平衡电桥的原理，将PN结温度传感器作为电桥电路的一个桥臂，用运算放大器作电桥输出负载。先把传感器（二极管）放入0C的冰水混合液中，将200mv的数字电压表接在非平衡电桥输出端，调整电桥桥臂上的平衡电阻使电桥平衡（电压表为零）；再将电桥输出端与运算放大器输入端联接，数字电压表接至运放的输出端，最后把温度传感元件放入100C的水中，调节运放的放大倍数，使电压表读数为100mV（相当于定标为100C），就制作成-50oC～+150C的數字温度计。同样，利用金属温度上升其阻值将增大这一特性，在一定的范围内，通过测量电阻阻值变化得到温度的变化。用铂电阻作为传感元件，同样可以完成铂电阻的数字温度计的设计制作实验。该类设计性实验是利用传感器将非电信号（温度）转换成电信号，并巧妙地将之转换成数字信号，使学生建立了模拟信号转换为数字信号的基本概念。
6 光敏元件的光电转换实验
光敏电阻是一种当光照射到材料表面上被吸收后，在其中激发载流子，使材料导电性能发生变化的内光电效应器件。当给它加上一定电压后，光生载流子在电场的作用下沿一定的方向运动，在电路中产生电流，这就达到了光电转换的目的。
将光敏电阻接入三极管放大单元中，改变照射光敏电阻的光强，记录放大电路输出电流随光强的变化情况，描绘出电流随光强的变化曲线。利用光敏电阻这一特性，能开设光敏电阻特性研究、光敏电阻开关的制作、声光开关的制作等实验内容。
7 激光探测及传输音频信号实验
硅光电池能在不加偏压的情况下将光信号转换成电信号，它的短路光电流与入射光照度E成正比。实验中，将声源（音频）放在一密闭的木箱内，木箱一侧面开有一窗口并镶上平面镜（或玻璃）；用激光束以一定角度照射在镜面，用硅光电池以一定角度来接收反射回来的光束。当声源引起平面镜振动后，使得反射到硅光电池的激光光斑面积也随之发生微小变化，即硅光电池受到光照强度发生微小变化，硅光电池输出电压也将随之变化。将这变化的电压放大并用输入喇叭，即可还原出声源的声音。实验中，学生不仅学习了硅光电池的基本特性，还掌握了一种光信息的传输方法。
8结语
信息科学是众多科学领域中发展最快的一门科学，也是最具有发展活力的科学之一；信息捕获技术是信息科学最前沿的一个“阵地”和手段，而信息捕获技术的主要工具就是传感器（技术）。因此，在大学物理实验教学中应加大综合、设计性实验的比重，突出传感器基础理论和实际应用知识的传授，加大了学生独立解决实际问题能力的培养，为学生今后实验的学习及科研打下坚实的基础。
参考文献
[1] 沈元华. 设计性研究性物理实验教程[M].复旦大学出版社,2004,06.
[2] 黄贤武 等. 传感器原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2004,03.
[3] 沈建华,戴玮等. 基础实验[M].海潮出版社出版,2006,05.
关键词：传感器 霍尔元件 杨氏模量 磁阻效应 力敏传感器 光敏元件
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-9795(2011)03(b)-0000-00
为使大学物理实验教学内容适应当今高科技的发展，在实验中溶入紧密结合实际的综合、设计性实验内容的做法被各高校广泛采用。这些新内容大量应用了传感器，不仅提高了实验教学水平，也使实验教学更贴近生活实际。下面介绍几个实验中所使用的传感器件。
1 霍尔元件测量通电螺线管内的磁场分布实验
将一块厚度0.2mm左右的半导体簿片（硅片或锗片），一边通以电流I,另一边引出两电极，并将其放在磁感应强度的磁场中，另一边电极产生电位差，一现象称为霍尔效应，这个电位差称为霍尔电位差。可表示为（霍尔电位差，霍尔元件灵敏度，磁感应强度）。实验中，将霍尔元件在通电的螺线管中缓慢移动，用电压表和电流表分别测出和，就可以计算出此时霍尔元件所处位置的磁感应强度。利用霍尔元件能将磁信号转换成电信号这一特性，还可以制作成直接测量磁感应强度的特斯拉计。
2 霍尔元件位置法测金属杨氏模量实验
将霍尔元件固定在金属杆一端，杆的另一端与矩形金属框相接，金属框压在待测金属横梁上，框的下端可加挂砝码；霍尔元件放在两块平行放置的磁铁（同极性相对）中线上，此处磁场为零，则霍尔元件的输出电压也为零。加挂砝码后，金属梁在金属框拉力的作用下发生微小弯曲，此时霍尔元件则偏离磁铁中心线，即其在磁铁中的位置距离产生微小变化（磁场不再为零），霍尔元件产生电压信号输出。由于霍尔元件的输出电压与其在磁铁间的距离变化成比例，从而可以利用这一函数关系测量出金属的杨氏模量。
3 地磁场测量实验
地磁物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，则构成了磁阻传感器，该传感器测量出与管脚平行方向的磁场。先将电桥输出连接运算放大器并将信号放大输出。输出的信号电压与磁场强度B呈线性关系：（其中和为常数），利用此函数关系式可以计算出水平和垂直方向上的地磁场和地磁倾角等参数。
4 拉脱法测量液体表面张力实验
将压力传感器与数字电压表连接，在压力传感器工作范围内，力与输出电压呈线性关系。再将浸入液体内的环形的金属铝环加挂在压力传感器上，缓慢降低液面高度，记录下金属环脱离液面瞬间电压和脱离后电压，代入公式：
（B为力敏传感器灵敏度）求出液体表面张力f，从而求出液体表面张力系数。
5 PN结数字温度计的设计实验
PN结构成的二极管的伏安特性对温度有很大的依赖性，利用这一点可以制成PN结温度传感器。当通过PN结一恒定小电流（通常I0≈100ｕA），可以得到和近似满足线性关系：，即PN结温度每升高C，结电压下降约2mv。实验中采用非平衡电桥的原理，将PN结温度传感器作为电桥电路的一个桥臂，用运算放大器作电桥输出负载。先把传感器（二极管）放入0C的冰水混合液中，将200mv的数字电压表接在非平衡电桥输出端，调整电桥桥臂上的平衡电阻使电桥平衡（电压表为零）；再将电桥输出端与运算放大器输入端联接，数字电压表接至运放的输出端，最后把温度传感元件放入100C的水中，调节运放的放大倍数，使电压表读数为100mV（相当于定标为100C），就制作成-50oC～+150C的數字温度计。同样，利用金属温度上升其阻值将增大这一特性，在一定的范围内，通过测量电阻阻值变化得到温度的变化。用铂电阻作为传感元件，同样可以完成铂电阻的数字温度计的设计制作实验。该类设计性实验是利用传感器将非电信号（温度）转换成电信号，并巧妙地将之转换成数字信号，使学生建立了模拟信号转换为数字信号的基本概念。
6 光敏元件的光电转换实验
光敏电阻是一种当光照射到材料表面上被吸收后，在其中激发载流子，使材料导电性能发生变化的内光电效应器件。当给它加上一定电压后，光生载流子在电场的作用下沿一定的方向运动，在电路中产生电流，这就达到了光电转换的目的。
将光敏电阻接入三极管放大单元中，改变照射光敏电阻的光强，记录放大电路输出电流随光强的变化情况，描绘出电流随光强的变化曲线。利用光敏电阻这一特性，能开设光敏电阻特性研究、光敏电阻开关的制作、声光开关的制作等实验内容。
7 激光探测及传输音频信号实验
硅光电池能在不加偏压的情况下将光信号转换成电信号，它的短路光电流与入射光照度E成正比。实验中，将声源（音频）放在一密闭的木箱内，木箱一侧面开有一窗口并镶上平面镜（或玻璃）；用激光束以一定角度照射在镜面，用硅光电池以一定角度来接收反射回来的光束。当声源引起平面镜振动后，使得反射到硅光电池的激光光斑面积也随之发生微小变化，即硅光电池受到光照强度发生微小变化，硅光电池输出电压也将随之变化。将这变化的电压放大并用输入喇叭，即可还原出声源的声音。实验中，学生不仅学习了硅光电池的基本特性，还掌握了一种光信息的传输方法。
8结语
信息科学是众多科学领域中发展最快的一门科学，也是最具有发展活力的科学之一；信息捕获技术是信息科学最前沿的一个“阵地”和手段，而信息捕获技术的主要工具就是传感器（技术）。因此，在大学物理实验教学中应加大综合、设计性实验的比重，突出传感器基础理论和实际应用知识的传授，加大了学生独立解决实际问题能力的培养，为学生今后实验的学习及科研打下坚实的基础。
参考文献
[1] 沈元华. 设计性研究性物理实验教程[M].复旦大学出版社,2004,06.
[2] 黄贤武 等. 传感器原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2004,03.
[3] 沈建华,戴玮等. 基础实验[M].海潮出版社出版,2006,05.