传感器的作用和选配

　　现代技术上普遍使用电学仪表和计算机来检测、传送、处理、存储、显示各种信息和发出控制指令。但它们只能接受电信号，所以需要有能够把非电学量转换为电学量的装置——传感器。传感器的作用是：感受(探测)到例如温度、力、光照、大气压、磁场、声音、影像、空气中可燃气体的浓度、司机血液中酒精含量等非电学量，转换成电阻、电流、电压等电学量。

　　常见的传感器是以某种敏感元件为探头，配上一些电路和外壳等制成的一个组件。在一些简单的实验中，也可以将敏感元件称为传感器。图2 为两种用途的力传感器外观。

　　顺便说一下，数字化实验系统所配的“电压传感器”和“电流传感器”采集到的已经是电学量。严格地讲，它们只是个探头，不是通常意义上的传感器。

　　图2

　　传感器输出什么特性的信号?

　　通常情况下，传感器检测的都是能够连续变化的模拟量信号，例如温度、光照、力，它转换成的也是能够连续变化的模拟量电压或电流信号，直接传送给常用的指针式电表显示出测量结果。

　　[ 小实验1 ] 测量型实验——用光敏电阻测量光照

　　图3

　　取图3(a)所示的硫化镉光敏电阻(要选择在同样光照下呈现的电阻值较小的)，和多用电表上直流10mA挡、电池连接成图3b 所示的电路，就能用来对室内光照的强弱做比较性测量。光敏电阻这种传感器受到的光照变强其电阻就会明显变小，于是将照度这个物理量转换为电流的大小由电流表显示出来。如果能用正规的照度计来标定电流表，即可测出具体的照度数值。我国教育部规定为了保护青少年视力，书桌上的照度应达到约300勒克斯(lx)。

　　如果需要用计算机处理和存储传感器输出的电信号，则需要用模/数(A/D)转换芯片将模拟式电信号转换为数字式电信号。此过程在图1中有所表示。使用数字式仪表显示测量结果也需要做A/D转换。现代一些先进的传感器已经在其芯片内部完成了A/D转换，输出的就是数字信号了。

　　另一种应用是要用传感器实现自动控制的功能，这就要求传感器输出的是开关型的电学量，即电路的通断或高低电平的跳变。

　　[ 小实验2 ] 控制型实验——小灯泡的磁控开关

　　图4

　　选购一只小型干簧管，与小灯泡和电池接成图4(a)所示的电路。将条形磁铁平行逐渐靠近干簧管，管中两根簧片被磁化使相对的端部互相吸引而接触，灯泡发光。再将磁铁远移到某个程度，簧片就靠弹性分开，灯泡熄灭。干簧管作为传感器，将磁场强弱的变化转化为电路的通断。

　　如图(b)那样使一个磁极正对簧片端部是不能让它接通的。想一想这是什么原因?

　　传感器测量会更精确吗?

　　由于一些传感器非常灵敏，所以这是可能实现的。但不是必然的，因为还要看与它配套电路的条件等因素，还有实际上是否需要那么精确。

　　使用教学用数字化实验系统，主要是为了实现许多常规仪器和方法难以进行的测量和利用计算机自动采集和处理大量数据。同时为了降低成本也就不去刻意追求高精度。

　　例如用它的电压和电流传感器测出的数值，准确度往往比不上专业的数字式电表的。教学用的位移传感器优点在于能够对运动的物体位置自动进行非接触性的测量，得到的位移数值误差不会小于1mm，并不比毫米刻度尺更准确，你看到计算机显示出很多位的数字中，其实只有前几位是有效的，后面的都没有意义。因为实际的测量误差来自多方面，不可能小到那样的程度。

　　使用传感器还要选择量程吗?

　　有人认为计算机的分辨能力比人眼强多了，所以使用数字化实验系统时不必考虑传感器的量程，会用量程50N的力传感器去测量单根导线或几匝线圈所受的安培力。这是严重的误解。实际上，传感器采集的模拟信号电压要做A/D转换，而转换成时二进位数字信号是有一定的位数限制的。如在常用的芯片中做十位转换，210 = 1024，它能够分辨(显示)的最小值近似为全量程的1/1000。对于50N量程的力传感器，最小只能分辨出全量程的千分之一即0.05N的力，显然不能满足上述实验的需求。

　　因此，多数产品都配备了不同种类、不同量程的传感器。学校应当根据教学需要自行选择适合类型、量程、参数的传感器，不要完全按照厂家推荐的清单打包订货，避免浪费。一些小的敏感元件(如光敏电阻、热敏电阻、热电偶、霍尔元件、干簧管)则可从市场(淘宝网)选购。