摘 要：传感器的开发是传感与控制技术、计算机信息技术以及通信技术的集合体，它涉及到传感器设计、制造与综合应用。传感器是现代科学技术发展的基础动力，也是一切现代化信息系统数据采集的源头，可以说，国民经济的发展已经越来越离不开传感器技术的开发与应用。
关键词：传感器；教学实验；热学；
1 前言
科学技术水平高速发展的21世纪，计算机信息技术和传感器检测技术推动高校高等实验教育迈向新的台阶。传感器（Sensor/Transdueer）是指通过敏感元件感知待检测物理量变化，利用转换元件将检测得到的“物理量变化”基于一定规律转化为可以传输的信号，并以可视化等形式呈现出来。通过传感器的信号源采集、信号转化、信号传输作用，可以为科学研究、工业生产提供重要的信息数据。实验教学是学科发展的必要环节，也是培养学生理论与实践结合能力的重要途径，通过学生动手操作实验也可提高学生对学科的创新思维。因此，国家课程标准管理委员会也适宜的提出了信息技术与物理课程结合的要求，将传感器的应用纳入到中学物理实验课程当中。在开设的物理热学系列实验中，会涉及到温度、压强、湿度、压力、光强度、密度等各种物理量，在这些物理量的检测当中，高校创新实验教育已经逐渐使用传感器检测手段代替传统的检测方法。将传感器数据输出端连接到计算机设备，根据自动记录软件，可以自动的、实施的完成数据的记录、储存与记录，能够更加清晰、准确的揭示物理量变化规律。由于数字化信号数据处理方便，数据可视化效果好，可以帮助学生加深物理量变化感知水平，显著提高课堂效率和学科教育水平。
2 传感器的分类
目前，学术界对传感器的分类暂无统一标准高，传感器功能、原理、检测对象等都很复杂，因此传感器约定成俗的可以按照被测量物理量类别、工作原理、能量传递方式和功能几种原则来划分。如果按照工作原理来划分，可以分为压阻式、压电式、电容式、霍尔式、电感式等；如果按照被测物理量来划分，可以分为物性量、机械量和热工量等；如果按照能量传递方式划分，可以分为有源传感器和无缘传感器；如果按照使用功能划分，则可以细分为20多类，可以实现温度、浓度、湿度、压力等多种物理量的检测；如果按照输出信号模式划分，可以分为模拟信号传感器和数字信号传感器。
温度传感器能够将待测对象的温度转化为数字信号，具有检测温度范围广、结构简单、测量准确性高的特点，是工业生产和科学研究中最常使用的传感器。不同的温度检测范围和使用环境，需要配置不同类型的温度传感器，也对应了不同的材料、工作原理和制备方法。第三小节中，笔者以温度传感器为代表，归纳总结了其在热学实验室中的具体应用。
3 温度传感器在热学实验中的应用
1、热电阻传感器
热电阻传感器（简称，热电阻）实现对象温度检测的工作原理是基于导体电阻与温度之间的函数关系，广泛的应用在家用电器、恒温干燥箱等需要温度检测和温度控制功能的设备当中。热电阻的核心部件为电阻材料，选择时应当选取电阻温度线性系数值大、热容量小、电阻与温度线性关系好的材料。金属铜和金属铂是最常使用的两种电阻材料。铂丝物理化学性质稳定，温度检测范围大、测量精确度高，可以适用于-200~960℃的温度区间。但是受到铂丝材料的成本限制，通常铂丝材料热电阻通常都被制作成标准电阻温度计，作为参照物使用。铜丝热电阻的性能要比铂丝差一点，但是优势在于复制性好、成本低，可以应用于-50~150℃的温度区间。热学实验使用的热电阻为温度电测法，由于使用不平衡电桥非电量的标定方法，可以有效的避免普通电桥导线受到环境温度变化引起的测量不准确性。通过实验，学生可以强化热电阻测量温度的工作原理和使用方法，以及不平衡电桥的实际应用。
2、热电偶传感器
热电偶传感器（简称，热电偶）的工作原理是基于Seebeck第一热电效应，由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差。热电偶是温度检测设备中最常使用的测温元件，使用过程中它利用热电效应将温度信号转变为电动势信号，在通过转换仪表显示出待测对象的温度。热电偶的检测温度可以达到-270~1800℃，远超过热电阻。
在非电量电测的热学实验中，学生主要开展温度电测法和热传导系数测定的学习。温度电测法中，学生使用铜-康铜热电偶、电阻传感器、水银温度计、微安表等多种温度检测仪表进行温度测量。热传导系数测定中，学生使用稳态法测量标准物质的导热系数。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通过实验，学生加深对热电偶工作原理、热电效应的理解，并提高了解决实际问题的能力。
3、集成温度传感器
集成温度传感器的工作原理是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值U与热力学温度T和通过发射极电流I的函数关系实现待测对象温度的检测，其核心部件是半导体集成电路。集成温度传感器信号输出形式包括了电压和电流两种，具有线性关系强、灵敏度高、使用便捷的优点。其典型商业产品为美国模拟器件公司生产的AD590型号集成温度传感器。根据传感器特点，学校开设了动态物理过程的实时测量热学实验。实验配置的仪器设备包括了：AD590、铂电阻、RTC热敏电阻、智能温控加热器、数据采集分析仪器、双路稳压稳流电源、计算机等。AD590和热敏电阻回路分别输出温度型号和电阻值信号，根据相关函数关系得到温度与电阻的一系列数据，通过计算机数据采集和处理软件得到R-T图。通过本轮实验，学生的综合素质、计算机数据采集操作和分析能力都得到良好的提升。
4、红外和光纤温度传感器
（1）红外温度传感器：根据红外辐射原理，宇宙中任何温度超过-271.15K的物体都会向外辐射电磁波，其中包括了波长大于760nm的红外线。而根据普朗克定律，物体温度与辐射能量密度满函数关系。因此，技术人员基于物体的红外辐射原理开发出了红外温度传感器。具有测量温度范围管、灵敏度高的特点，且能够实现非接触温度测量。学校教学办设立的热强辐射实验中，学生通过使用红外传感器、热电阻温度传感器、转动传感器、热辐射腔等设备，掌握了热腔辐射的工作原理和基本规律。同时培养了实践操作能力和强化了理论知识水平。
（2）光纤温度传感器：与红外温度传感器相同，光纤温度传感器也可实现非接触的温度测量，其工作原理是综合了光导纤维、普朗克定律和热辐射理论。使用光纤温度传感器可以解决高温区（1200-1800℃）下，金属热电偶传感器在接触待测对象时不断被损耗的问题。光纤温度传感器可以应用于高电压、高磁场、核辐射、防腐蚀等特殊环境下，这些都是其他温度传感器无法取代的。
4 结语
传感器技术是现代科学测量和控制技术的基础，随着我国科学技术的进步，我国温度传感器开发与应用已经逐渐与国际先进水平接轨，但是在很多领域仍有较大差距。本文从热电阻传感器、热电偶传感器、集成温度传感器、红外和光纤温度传感器集中典型的温度传感器出发，分析了它们的工作原理、技术特点以及适用范围。技术研发人员应当充分掌握基础理论知识，结合生产实践、具体应用提高温度传感器研发与应用的创新能力。
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论文作者:冯世海
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第18期
论文发表时间:2019/11/8
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