CN202650375U - 多种电阻式传感器测量原理及应用综合物理演示教学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多种电阻式传感器测量原理及应用综合物理演示教学装置，用来演示四种电阻式传感器的测量原理及应用。传感器包括：应变片、光敏电阻、铂电阻、磁敏电阻。该装置由：电阻与压力传感原理演示、电阻与照度传感原理演示、电阻与温度传感原理演示、电阻与磁场传感原理演示四个模块和液晶显示屏、单片机系统及键盘等组成，用来定量演示：压力随应变片电阻值变化之间的关系；照度和光敏电阻阻值变化之间的关系；温度和铂电阻阻值之间的关系；磁场强度和磁敏电阻阻值之间的关系。单片机系统装在控制箱中，位于控制箱顶面的平台上安装四个传感原理演示模块和液晶显示屏及键盘等。

Description

多种电阻式传感器测量原理及应用综合物理演示教学装置技术领域

[0001] 本实用新型属于物理原理演示与应用领域，是一种依据电阻变化测量其它物理量的多种电阻式传感器测量原理及应用的综合物理演示教学装置，通过测量，给出电阻阻值与对应的物理量之间的定量关系及其曲线，从而揭示传感器的物理原理及其应用。

背景技术

[0002] 本实用新型是一种依据电阻变化来测量其它物理量的多种电阻式传感器测量原理及应用的综合物理演示教学装置。装置能同时演示出应变片、光敏电阻、钼电阻、磁敏电阻的测量原理及应用，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晰的认识。可以拓展本科生的知识结构，了解不同属性外场，引起电 阻值的变化。同时可以拓展出若干在工程技术中的应用，如形变测量、照度检测、温度测量、磁场检测等，有利于激发学生的个性发展，使学生受到科研工作的基本训练，全面提高学生的科学素养和综合能力。

发明内容

[0003] 本实用新型的目的是提供一种多种电阻式传感器测量原理及应用的综合物理演示教学装置，用来演示四种电阻式传感器的测量原理及应用，所述的传感器包括：应变片、光敏电阻、钼电阻、磁敏电阻。

[0004] 根据图I至图7所述，该装置主要由传感原理演示模块、液晶显示屏（3)、单片机系统（15)和键盘（7)组成，所述传感原理演示模块包括：分别用来定量演示压力随应变片电阻值、照度和光敏电阻阻值、温度和钼电阻阻值、磁场强度和磁敏电阻阻值之间的关系的电阻与压力传感原理演示模块I、电阻与照度传感原理演示模块2、电阻与温度传感原理演示模块4和电阻与磁场传感原理演示模块（5)，上述四个传感原理演示模块中的传感器包括：应变片、光敏电阻、钼电阻和磁敏电阻，所述应变片、光敏电阻、钼电阻和磁敏电阻分别经电桥电路I、偏置电路、电桥电路II和电桥电路III、在经放大、切换和AD转换与单片机系统（15)连接，单片机系统（15)装在控制箱（6)中，电阻与压力、电阻与照度、电阻与温度、电阻与磁场四个传感原理演示模块和液晶显示屏3及键盘7安装在平台（14)上。

[0005] 所述的电阻与压力传感原理演示模块I安装在位于控制箱6顶面的平台14上，该模块由应变片I 9、应变片II 13、悬臂梁12、砝码托盘10、砝码11、悬臂梁支座8构成，悬臂梁支座8固定在平台14上，悬臂梁12固定在悬臂梁支座8上，应变片I 9和应变片II 13用粘贴的方法固定在悬臂梁12的上、下两面构成半桥电路的两个变化电阻，悬臂梁12的端部安装有砝码托盘10，在砝码托盘10上放置不同重量砝码11时，悬臂梁12变形量不同，导致应变片I 9和应变片II 13的电阻发生变化，使得其和两个固定电阻组成的半桥电路输出电压值不同。输出电压值经单片机系统15处理转换成电阻后由液晶显示屏3显示出来，砝码11重量通过键盘7输入至单片机系统15，这样可以定量演示出压力随每个应变片电阻值之间的变化关系，由液晶显示屏（3)显示出压力随应变片电阻值之间的关系曲线。[0006] 所述的电阻与照度传感原理演示模块2安装在位于控制箱6顶面的平台14上，该模块由溴钨灯20、灯磁座19、调压器17、溴钨灯控制开关16、光敏电阻23、照度传感器24、由暗箱座18与暗箱上盖21组成的暗箱等构成。溴钨灯20与安装在平台14上的溴钨灯控制开关16和调压器17连接，溴钨灯20固定在灯磁座19上，并一同固定在暗箱座18的端部，照度传感器24的中心与溴钨灯20的灯丝等高同轴放置，固定在暗箱座18的尾部，光敏电阻23和照度传感器24共面固定在光敏电阻固定座22上，溴钨灯20及灯磁座（19)、光敏电阻23、照度传感器24均安装在暗箱内，防止杂散光的影响，调压器17固定在平台14上，用调压器（17)不断改变溴钨灯20的输入电流，使光敏电阻（23)处的光照强度变化，光敏电阻的变化经单片机系统15处理转换成电阻由液晶显示屏3显示，用照度传感器24测量光敏电阻23处的照度值，经单片机系统15处理后，定量演示出照度和光敏电阻23阻值之 间的变化关系及由液晶显示屏3显示出照度和光敏电阻23阻值之间的关系曲线。

[0007] 所述的电阻与温度传感原理演示模块4安装在位于控制箱6顶面的平台14上，该模块由铜导热块27、帕尔贴28、钼电阻31、标准温度传感器32、散热片29、保温罩26构成，帕尔贴28固定在铜导热块27的上表面，散热片29位于帕尔贴28上面，钼电阻31、标准温度传感器32固定在铜导热块27侧面的孔内，帕尔贴28内通入电流，改变帕尔贴28内的电流流向，使铜导热块27的温度可从-10°C到100°C区间变化，单片机系统（15)能够通过标准温度传感器32测出钼电阻31处的温度，同时能够测出钼电阻31对应的电阻值并由液晶显示屏3显示出来。这样所述的电阻与温度传感原理演示模块4能定量演示出温度和钼电阻31阻值之间的变化关系，由液晶显示屏3显示出温度和钼电阻31阻值之间的关系曲线。

[0008] 所述的电阻与磁场传感原理演示模块5安装在位于控制箱6顶面的平台14上，由磁敏电阻40、磁场传感器41、永久磁铁46及由燕尾导轨44导向的丝杠38传动机构构成。永久磁铁46固定在与丝杠38螺纹配合连接的滑块45上，滑块45与固定在平台（14)上的燕尾导轨44滑动配合,磁敏电阻40和磁场传感器41固定在磁敏电阻固定座42上,且位于与永久磁铁46等高一定距离处。用手轮35转动丝杠38)改变永久磁铁46和磁敏电阻40之间的距离，磁敏电阻的变化经单片机系统15处理转换成电阻由液晶显示屏3显示，用磁场传感器41测量距磁敏电阻40不同位置坐标点的磁敏电阻40处的磁场强度。这样所述的电阻与磁场传感原理演示模块5能定量演示出磁敏电阻40阻值随磁场强度的变化关系，由液晶显示屏3显示出磁场强度和磁敏电阻40阻值之间的关系曲线。

[0009] 所述的单片机系统15检测流程框图如图7所示，电阻与压力、电阻与照度、电阻与温度、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多路开关切换输入到AD转换器中，转换成数字量被单片机系统15处理后，由液晶显示屏3显示出对应压力、照度、温度、磁场的电阻值及压力随应变片电阻值之间、照度和光敏电阻23阻值之间、温度和钼电阻31阻值之间、磁场强度和磁敏电阻40阻值之间的关系曲线。

[0010] 该演示装置的平台14上有键盘7，可以输入所要演示的内容，单片机系统15安装在控制箱6内，液晶显示屏3固定在平台14上。控制箱6上有明确的文字操作提示，因此，使用十分简便，演示现象非常直观。

[0011] 本专利的有益效果是：多种电阻式传感器测量原理及应用的综合物理演示教学装置，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。可以拓展本科生的知识结构，了解不同属性外场，引起电阻值的变化。同时可以拓展出若干在工程技术中的应用，如形变测量、照度检测、温度测量、磁场检测等，使学生受到科研工作的基本训练。

附图说明

[0012] 图I多种电阻式传感器测量原理及应用的综合物理演示教学装置立体图。

[0013] 图2电阻与压力传感原理演示模块结构图。

[0014] 图3电阻与照度传感原理演示模块结构图。

[0015] 图4电阻与温度传感原理演示模块结构图。

[0016] 图5电阻与磁场传感原理演不模块结构图。

[0017] 图6燕尾导轨导向丝杠传动结构图。

[0018] 图7单片机系统检测流程框图

[0019] 图中：1、电阻与压力传感原理演示模块2、电阻与照度传感原理演示模块3、液晶显示屏4、电阻与温度传感原理演示模块5、电阻与磁场传感原理演示模块6、控制箱

7、键盘8、悬臂梁支座9、应变片I 10、砝码托盘11、砝码12、悬臂梁13、应变片II 14、平台15、单片机系统16、溴钨灯控制开关17、调压器18、暗箱座19、灯磁座20、溴钨灯21、暗箱上盖22、光敏电阻固定座23、光敏电阻24、照度传感器25、垫块26、保温罩27、铜导热块28、帕尔贴29、散热片30、保温罩上盖31、钼电阻32、标准温度传感器33、硅胶34、聚氨酯垫35、手轮36、轴承座I 37、滚动轴承I 38、丝杠39、滚动轴承II 40、磁敏电阻41、磁场传感器42、磁敏电阻固定座43、轴承座II 44、燕尾导轨45、滑块46、永久磁铁

具体实施方式

[0020] 下面结合附图所示实施例进一步说明本实用新型的具体内容及实施方式。

[0021] 多种电阻式传感器测量原理及应用的综合物理演示教学装置总体结构参阅图1，电阻与压力传感原理演示模块I、电阻与照度传感原理演示模块2、电阻与温度传感原理演示模块4、电阻与磁场传感原理演示模块5均安装在控制箱6顶面的平台14上；显示应变片I 9和应变片II 13电阻、光敏电阻23阻值、钼电阻31阻值和磁敏电阻40阻值的液晶显示屏3均安装在平台14上；单片机系统15安装在控制箱6内。平台14上设有键盘7，通过键盘7输入所要演示的内容。

[0022] 本实用新型实施具体采用如下的技术路线：

[0023] I、电阻与压力传感原理演示模块I的技术路线

[0024] 参阅图2所示，悬臂梁支座8上固定悬臂梁12，悬臂梁支座8固定在平台14上，应变片I 9和应变片II 13用粘贴的方法固定在悬臂梁12的上、下两面并且组成半桥电路的两个变化电阻。悬臂梁12的端部安装有砝码托盘10，当添加砝码11施加压力时，悬臂梁12带动应变片I 9和应变片II 13—起发生机械形变，应变片I 9和应变片II 13的电阻值也随之发生变化，经过单片机系统15测量其变化，并转换成电阻值由液晶显示屏3显示出来。不断改变加载在悬臂梁12上的砝码11重量，并将加载砝码重量通过键盘7输入至单片机系统15，同时单片机系统15测得应变片电阻值，这样电阻与压力传感原理演示模块I可以定量演示出压力随每个应变片电阻值之间的变化关系，由液晶显示屏3显示出压力随每个应变片电阻值之间的关系曲线。

[0025] 2、电阻与照度传感原理演示模块2的技术路线

[0026] 参阅图3所示，电阻与照度传感原理演示模块2安装在平台14上，其中：暗箱由暗箱座18和暗箱上盖21组成，溴钨灯20插在灯磁座19里，固定在暗箱座18的端部，照度传感器24固定在暗箱座18的尾部且其照度传感器24的中心与溴钨灯20的灯丝等高同轴放置，光敏电阻23和照度传感器24共面固定在光敏电阻固定座22上，调压器17固定在平台14上。用调压器17不断改变溴钨灯20的输入电流，使光敏电阻23处的光照强度变化，同时用照度传感器24测量光敏电阻23处的照度值。这样，由单片机系统15测得光敏电阻23的电阻值，通过照度传感器24测量光敏电阻23处对应的照度值，并由液晶显示屏3显示出来，定量演示出照度和光敏电阻23阻值之间的变化关系，液晶显示屏3还显示出照度和光 敏电阻23阻值之间的关系曲线。暗箱上盖21可以开启，在开启时，学生可以观察里面的光路结构，测量时将其盖上，可以防止杂散光的影响。

[0027] 3、电阻与温度传感原理演示模块4的技术路线

[0028] 参阅图4所示，帕尔贴28通过散热片29固定在铜导热块27的上表面，铜导热块27下放置聚氨酯垫34固定在平台14上。钼电阻31、标准温度传感器32固定在铜导热块27侧面的孔内，孔内填充硅胶33导热，单片机系统15控制帕尔贴28中的电流方向，可以使帕尔贴28制冷或加热，从而使铜导热块27的温度从-10°C到100°C范围变化。单片机系统15通过标准温度传感器32测出钼电阻31的温度，并测得钼电阻31的电阻值，同时由液晶显示屏3显示出来。单片机系统15不断记下钼电阻31的温度和电阻值，并将这些数据显现在液晶显示屏3上，形成温度和钼电阻31阻值之间的关系曲线。用尼龙材料做成保温罩26，罩在铜加热块27的外面，固定在平台14上，保温罩上盖30可以开启，以便学生看清电阻与温度传感原理演示模块4的结构。

[0029] 4、电阻与磁场传感原理演示模块5的技术路线

[0030] 参阅图5所示，燕尾导轨44导向的丝杠38传动机构固定在平台（14)上，丝杠38两端用滚动轴承I 37和滚动轴承II 39及其轴承座I 36和轴承座II 43)支撑，永久磁铁46固定在沿着丝杠38移动的滑块45上，滑块45用燕尾导轨44导向，丝杠38 —端与手轮35相连，手轮35用于改变永久磁铁46和磁敏电阻40之间的距离。距永久磁铁46等高一定距离处，将磁敏电阻40和磁场传感器41固定在磁敏电阻固定座42上。在演示时，用手轮35转动丝杠38带动滑块45上的永久磁铁46移动，改变永久磁铁46和磁敏电阻40之间的距离，从而改变磁敏电阻40的外部磁场强度，导致磁敏电阻40的阻值也发生变化，单片机系统15测量出磁敏电阻40的阻值，并通过磁场传感器41测量距磁敏电阻40不同位置坐标点的磁敏电阻40处的磁场强度，不断记下磁敏电阻40的电阻值和外部磁场强度，并将这些数据显现在液晶显示屏3上，并显示出磁敏电阻40阻值随磁场强度的关系曲线。这样电阻与磁场传感原理演示模块5可定量演示出磁敏电阻40阻值随磁场强度的变化关系。

[0031] 所述的单片机系统15检测流程如图7所示，电阻与压力、电阻与照度、电阻与温度、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多路开关切换输入到AD转换器中，转换成数字量被单片机系统15处理后，由液晶显示屏3显示出对应压力、照度、温度、磁场的电阻值及压力随应变片电阻值之间、照度和光敏电阻23 阻值之间、温度和钼电阻31阻值之间、磁场强度和磁敏电阻40阻值之间的关系曲线。

Claims (6)

1. 一种多种电阻式传感器测量原理及应用综合物理演示教学装置，主要由传感原理演示模块、液晶显示屏（3)、单片机系统（15)和键盘（7)组成，其特征在于：所述传感原理演示模块包括：分别用来定量演示压力随应变片电阻值、照度和光敏电阻阻值、温度和钼电阻阻值、磁场强度和磁敏电阻阻值之间的关系的电阻与压力传感原理演示模块（I)、电阻与照度传感原理演示模块（2)、电阻与温度传感原理演示模块（4)和电阻与磁场传感原理演示模块（5)，上述四个传感原理演示模块中的传感器包括：应变片、光敏电阻、钼电阻和磁敏电阻，所述应变片、光敏电阻、钼电阻和磁敏电阻分别经电桥电路I、偏置电路、电桥电路II和电桥电路III、再经放大、切换和AD转换与单片机系统（15)连接，单片机系统（15)装在控制箱（6)中，电阻与压力、电阻与照度、电阻与温度、电阻与磁场四个传感原理演示模块和液晶显示屏（3)及键盘（7)安装在平台（14)上。

2.根据权利要求I所述的一种多种电阻式传感器测量原理及应用综合物理演示教学装置，其特征在于：所述电阻与压力传感原理演示模块（I)包括：砝码（11)、应变片I (9)和应变片II (13)，所述砝码（11)装在悬臂梁（12)端部的砝码托盘（10)内，悬臂梁（12)通过悬臂梁支座（8)固定在平台（14)上，所述应变片I (9)和应变片II (13)粘贴固定在悬 臂梁（12)的上、下两面，构成半桥电路的两个变化电阻，通过改变砝码（11)重量，改变应变片I (9)和应变片II (13)的电阻值，并经单片机系统（15)测量其变化，转换成电阻值由液晶显示屏（3)显示，砝码（11)重量通过键盘（7)输入至单片机系统（15)，定量演示出压力随每个应变片电阻值之间的变化关系，由液晶显示屏（3)显示出压力随每个应变片电阻值之间的关系曲线。

3.根据权利要求I所述的一种多种电阻式传感器测量原理及应用综合物理演示教学装置，其特征在于，所述电阻与照度传感原理演示模块（2)包括：溴钨灯（20)、光敏电阻(23)和照度传感器（24)，所述溴钨灯（20)与安装在平台（14)上的溴钨灯控制开关（16)和调压器（17)连接，所述溴钨灯（20)通过灯磁座（19)固定在暗箱座（18)的端部，所述光敏电阻（23)和照度传感器（24)共面固定在光敏电阻固定座（22)上，光敏电阻固定座（22)固定在暗箱座（18)的尾部，照度传感器（24)的中心与溴钨灯（20)的灯丝等高同轴放置，暗箱上盖（21)装在暗箱座（18)的上面，暗箱座（18)通过垫块（25)装在平台（14)上，所述调压器（17)通过改变溴钨灯（20)的输入电流改变光敏电阻（23)处的光照强度，光敏电阻的变化经单片机系统（15)处理转换成电阻由液晶显示屏（3)显示，照度传感器（24)测量光敏电阻（23)处的照度值，经单片机系统（15)处理后定量演示出照度和光敏电阻（23)阻值之间的变化关系，由液晶显示屏（3)显示两者之间的关系曲线。

4.根据权利要求I所述的一种多种电阻式传感器测量原理及应用综合物理演示教学装置，其特征在于，所述电阻与温度传感原理演示模块（4)包括：帕尔贴（28)、钼电阻（31)和标准温度传感器（32)，所述帕尔贴（28)固定在铜导热块（27)的上表面和散热片（29)下表面上，钼电阻（31)和标准温度传感器（32)固定在铜导热块（27)侧面的孔内，铜导热块(27)通过聚氨酯垫（35)装在平台（14)上，帕尔贴（28)由单片机系统（15)控制其电流方向对铜导热块（27)制冷或加热，所述单片机系统（15)通过标准温度传感器（32)测出钼电阻（31)处的温度及钼电阻（31)对应的电阻值，定量演示出温度和钼电阻阻值之间的变化关系，由液晶显示屏（3)显示出温度和钼电阻（31)阻值之间的关系曲线。

5.根据权利要求I所述的一种多种电阻式传感器测量原理及应用综合物理演示教学装置，其特征在于，所述电阻与磁场传感原理演示模块（5)包括：永久磁铁（46)、磁敏电阻(40)和磁场传感器（41)，所述永久磁铁（46)通过丝杠传动机构、所述磁敏电阻（40)和磁场传感器（41)通过磁敏电阻固定座（42)分别固定在平台（14)上，永久磁铁（46)和磁敏电阻（40)之间的距离通过丝杠传动机构改变，磁敏电阻（40)的变化经单片机系统（15)处理转换成电阻由液晶显示屏（3)显示，用磁场传感器（41)测量距磁敏电阻（40)不同位置坐标点的磁敏电阻（40)处的磁场强度，定量演示出磁敏电阻（40)阻值随磁场强度的变化关系，由液晶显示屏（3)显示出磁场强度和磁敏电阻（40)阻值之间的关系曲线。

6.根据权利要求5所述的一种多种电阻式传感器测量原理及应用综合物理演示教学装置，其特征在于，所述丝杠传动机构的丝杠（38)两端用滚动轴承I (37)和滚动轴承II (39)及其轴承座I (36)和轴承座II (43)支撑在平台（14)上，永久磁铁（46)固定在与 丝杠（38)螺纹配合连接的滑块（45)上，滑块（45)与固定在平台（14)上的燕尾导轨（44)滑动配合，丝杠（38)端部的手轮（35)用于改变永久磁铁（46)和磁敏电阻（40)之间的距离。