虛實(shí)結(jié)合的電學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新
——無線電壓、電流傳感器的設(shè)計(jì)原理

陳 波 翁浩峰

(浙江省寧波中學(xué) 浙江 寧波 315100)(收稿日期：2016-05-10)

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虛實(shí)結(jié)合的電學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新
——無線電壓、電流傳感器的設(shè)計(jì)原理

陳 波 翁浩峰

(浙江省寧波中學(xué) 浙江 寧波 315100)(收稿日期：2016-05-10)

傳統(tǒng)的磁電式電表的顯示方式形象直觀，不需要任何的翻譯或解釋，但讀數(shù)和記錄工作不太方便，容易產(chǎn)生較大的誤差，而電流、電壓傳感器則能快速、準(zhǔn)確、動態(tài)地采集實(shí)驗(yàn)信息，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示，由計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行分析處理，但無法給予學(xué)生親身經(jīng)歷的感受，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力．筆者很好地結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了一套無線電壓、電流傳感器，并運(yùn)用于實(shí)踐，獲得了不錯的實(shí)驗(yàn)效果．

無線電壓傳感器 無線電流傳感器 DIS實(shí)驗(yàn)

電流和電壓的測量在高中物理實(shí)驗(yàn)中是非常重要的，在《物理·選修3-1》的“恒定電流”一章中，有大量的課堂演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，都需要對電流和電壓進(jìn)行測量．在傳統(tǒng)的教學(xué)工具下，使用老式的磁電式電表來測量電流和電壓．在DISLab出現(xiàn)后，可以使用電流、電壓傳感器來進(jìn)行測量．但是，上述方法中的任何一種，都存在著缺點(diǎn)．

1 原有測量儀器的缺點(diǎn)

1.1 磁電式電表的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的磁電式電表應(yīng)用電磁原理工作，驅(qū)動指針運(yùn)動，是依靠指針在面板上停留位置來顯示電流和電壓大小的電表．這類電表的顯示方式是純模擬(指針的偏轉(zhuǎn)角度)，形象直觀，不需要任何的翻譯或解釋．但實(shí)驗(yàn)室常用的磁電式電表都由小量程的電流表G(表頭，也叫靈敏電流計(jì))改裝而成，其內(nèi)阻并不太理想．一般電流表內(nèi)阻約為0.1 Ω，電壓表內(nèi)阻大約為3 000 Ω，因此在測量時，電流表的分壓以及電壓表的分流必然會帶來實(shí)驗(yàn)誤差．再者，實(shí)驗(yàn)室所用電表表盤太小，用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)尚可，但若用于課堂演示卻無法得到良好的效果，即使是演示專用的大電表，也無法保證每一位學(xué)生都能看得清．

1.2 電流、電壓傳感器的缺點(diǎn)

電流、電壓傳感器，是一種檢測裝置，能感受到被測電流的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為符合一定標(biāo)準(zhǔn)需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求．這套設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是能快速、準(zhǔn)確、動態(tài)地采集實(shí)驗(yàn)信息，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示，由計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行分析處理．但是這類實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)也正體現(xiàn)在它的優(yōu)點(diǎn)之中，對于可運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)來說，數(shù)字實(shí)驗(yàn)無法給予學(xué)生親身經(jīng)歷的感受，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力，而在實(shí)驗(yàn)一開始就運(yùn)用電腦來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，難以激發(fā)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣，實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用電腦進(jìn)行計(jì)算，雖然大大提高了實(shí)驗(yàn)的速度、課堂的效率，但對于學(xué)生自身的計(jì)算能力卻產(chǎn)生了負(fù)面影響，容易導(dǎo)致學(xué)生過于依賴計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，學(xué)生自身的計(jì)算水平無法得到提高．加之內(nèi)阻太過理想(電流傳感器內(nèi)阻幾乎為零，電壓傳感器內(nèi)阻約為10 MΩ)，因此在測量時，電流表無論是內(nèi)接還是外接，誤差都幾乎為零．然而內(nèi)外接法的選擇判斷以及其誤差來源的分析都是高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)．這些都是傳感器所無法做到的．

磁電式電表和電流、電壓傳感器有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而筆者則很好地結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并運(yùn)用于實(shí)踐，獲得了不錯的實(shí)驗(yàn)效果．尤其是在“電阻定律”一節(jié)教學(xué)中的使用，筆者憑借此課榮獲寧波市優(yōu)質(zhì)課評比一等獎．下面，筆者就該實(shí)驗(yàn)的設(shè)備、原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹．

2 無線電壓、電流傳感器

高中物理里使用的電壓表和電流表都是將表頭進(jìn)行改裝(串聯(lián)或并聯(lián)電阻)后得到的．表頭的電阻大概為幾十歐姆，最大電流大概為幾毫安，所以改裝成電壓表后的電阻大概為幾千歐姆，改裝成電流表后的電阻大概為零點(diǎn)幾歐姆．

Arduino模擬電壓輸入端的可測量的最大電壓為5 V，10位精度(即大概可以精確到0.005 V)，如果直接將模擬電壓輸入端作為電壓傳感器，也足以滿足高中物理電學(xué)測量的精度要求，所以可以直接將傳統(tǒng)的電壓表直接改裝成電壓傳感器，直接將Arduino的模擬電壓輸入端并聯(lián)到電壓表兩個接線柱上，由于Arduino模擬電壓輸入端的輸入阻抗在1×106Ω以上，并聯(lián)在電壓表上后基本不改變電壓表的內(nèi)阻．圖1為電壓表改裝后的實(shí)物圖，電源可以內(nèi)置在電壓表內(nèi)部．

圖1 改裝后的電壓表

傳統(tǒng)的電流表的內(nèi)阻大概為零點(diǎn)幾歐姆，在測量時，電流表兩端的電壓大概為幾十毫伏．由于Arduino只有模擬電壓輸入端，沒有電流輸入端，而模擬電壓輸入端精度只有5 mV，無法直接并聯(lián)在電流表兩端來測量．所以通過將電流表兩端的電壓進(jìn)行放大后再用Arduino的模擬電壓端來測量，圖中接了一個放大倍數(shù)為1 000倍的線性放大電路．最后通過測量找到輸出電壓與電流的關(guān)系，然后將所測得的電壓進(jìn)行計(jì)算后得到通過電流表的電流值．圖2為改裝完成的無線電流表實(shí)物圖．

圖2 改裝后的電流表

傳感器與數(shù)據(jù)采集器使用藍(lán)牙無線方式連接,所以在傳感器端加入藍(lán)牙模塊，基本的結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 在傳感器端加入藍(lán)牙模塊

利用Arduino處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，然后再由藍(lán)牙模塊發(fā)射．

3 數(shù)據(jù)采集器端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器端主要用來接收來自傳感器端的數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送到電腦端數(shù)據(jù)采集器與電腦端的連接利用Usb線連接．基本的結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 數(shù)據(jù)采集器基本結(jié)構(gòu)

不同組的模塊間通過設(shè)置不同的連接密碼進(jìn)行區(qū)別，連接密碼初始化在藍(lán)牙模塊中．也就是說藍(lán)牙主機(jī)模塊1會自動連接傳感器端1中的藍(lán)牙從機(jī)模塊，藍(lán)牙主機(jī)模塊2會自動連接傳感器端2中的藍(lán)牙從機(jī)模塊，并且數(shù)據(jù)采集器端的Arduino能自動識別來自哪個傳感器端的數(shù)據(jù)．如果只使用一個無線傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，因?yàn)榇蠖鄶?shù)計(jì)算機(jī)已經(jīng)集成了藍(lán)牙模塊，所以這個結(jié)構(gòu)可以簡化為如圖5所示結(jié)構(gòu).

圖5 簡化數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)

4 計(jì)算機(jī)端軟件的設(shè)計(jì)

不管是Arduino通過Usb連接電腦還是直接利用藍(lán)牙連接電腦，都采用了串口數(shù)據(jù)傳輸，所以可以使用一個叫Serproxy的串口代理程序?qū)碜源诘臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Flash動畫可以讀取的數(shù)據(jù)．最后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和繪圖都由Flash動畫來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以讓數(shù)據(jù)來控制Flash動畫界面上的某些元素，實(shí)現(xiàn)實(shí)時模擬的DIS實(shí)驗(yàn)，并且當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可以讓已經(jīng)記錄下來的數(shù)據(jù)來驅(qū)動動畫上的元素，實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)的回放或者慢放，來增加演示實(shí)驗(yàn)的可視化．圖6為幾個實(shí)驗(yàn)的Flash動畫界面．

圖6 小燈泡伏安特性曲線測量

該套設(shè)備在原有指針式電表的基礎(chǔ)之上，融入了新的傳感器功能，在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中，保留了原有磁電式電表的特點(diǎn),既能培養(yǎng)學(xué)生的電表讀數(shù)能力，又能通過計(jì)算機(jī)對大批量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的處理，不但達(dá)到了教學(xué)的目的，而且大大提高了教學(xué)的效率．

1 楊建良.電類基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”模式的構(gòu)建.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33(7):101～104

2 楊凱.基于虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的電路原理實(shí)驗(yàn)：[碩士論文].杭州：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,2013