传感器与数字化实验(西安)

传感器与数字化实验上海市中小学数字化实验系统研发中心陈开云第一部分数字化实验一、什么是数字化实验？数字化与微处理器没有数字化，就没有如今的计算机，而计算机，又推动了各行各业的数字化。微处理器的三大技术门类计算机的核心是微处理器（MPU）CPU（中央处理器）DSP（数字信号处理器）MCU（微控制器）所谓的数字化、信息化、智能化，其实就是“MPU”化。普通电饭锅智能电饭锅＋＝单片机传感器控制程序MCU是以控制电子设备为目的、经过优化的嵌入式微处理器，又称为单片机。单片机的特点是实时控制、快速响应。微控制器（MCU）普通洗衣机智能洗衣机＋＝普通高压锅智能压力锅传感器单片机＋＝传感器单片机将传感器和计算机引入实验教学传统实验数字化实验数字化信息系统用计算机处理数据用传感器采集数据数字化信息系统DISDigitalInformationSystem硬件包括：传感器采集器配套器材软件＋＝包括：专用软件通用软件1、各种传感器物理传感器生物、化学传感器2、数据采集器实验往往需要同时采集多个物理量电压力温度压强同时采集4路通道的信号为教学提供全面的信息3、计算机软件①教学专用软件根据教材要求和教学过程，针对每一项实验量身定制。通电螺线管牛二定律位移与速度②教学通用软件数字图线表格指针——根据用户不同需求，提供多种功能。例如：测量加速度牛顿第二定律用专用软件测量加速度贴近教学过程加速度•小车下滑，得出v–t图线。•选择有效区段简单、快速•小车下滑，得出v–t图线。•选择有效区段•选取“二次拟合”•对二次多项式图线进行求导。•对导数图线进行线性拟合。用通用软件测量加速度随意、自由可以建立自己的教学界面加速度数字化信息系统怎样工作？F模拟信号数据处理电信号非电信号数字信号F数据处理数字信号非电信号A/D转换数据整合全数字通信数据采集器可以省略数字化信息系统的不同工作方式F数据采集数据处理F数据处理与显示便携式组合仪器一体化工作方式平抛电磁感应向心力传感器、采集器、实验装置一体化提高仪器性能；方便用户使用；一、什么是数字化实验？二、数字化实验有什么特点？1、填补空白2、实时实验3、捕捉数据4、精确测量5、微弱信号……特点1：数字化实验填补传统实验的空白？传统实验中，由于缺乏相关仪器而无法测量。通电螺线管内部，磁感强度均匀吗？利用磁传感器可以揭示其中奥秘副线圈的磁场分布非匀强磁场改用细长的螺线管匀强磁场用传感器做实验电磁感应实验磁传感器测量螺线管中磁感强度的变化用磁传感器进行课题研究改动后的磁传感器匝数不同的线圈磁传感器填补了传统实验的空白旋转磁场研究各物理量之间的关系特点2：实时实验使用打点计时器直线运动的位移和速度运动结束后进行测量、计算、分析……改用位移传感器将位移传感器安装在小车和导轨上计算机实时显示小车的运动状态各数据点与测量值一一对应将数据点连接成图线，“位移－时间”图线，显示小车的运动状态。物体瞬间碰撞的定量分析碰撞是典型的暂态过程，传统实验缺乏有效的测量手段。数字化实验可以进行精确的实时测量。如何同时测量2个物体的运动状态？桌球的各种碰撞数码小车实时检测位移的正负，以及速度的方向。可精确测量位移、平均速度、瞬时速度、加速度。完成牛顿定律、周期运动、动量、动能、动量守恒等实验。——实时检测多路信号弹性碰撞实验（验证动量守恒定律）弹性碰撞实验蓝车静止红车加速红车减速红车静止蓝车缓慢减速两车相撞：红车减速；蓝车加速；非弹性碰撞实验非弹性碰撞实验两车粘合同时运动蓝车缓慢减速红车静止蓝车加速两车相撞：蓝车减速；红车加速；实时实验的理想图线磁铁线圈感应电流以电磁感应实验为例理想状态：图线能够随着磁铁运动同步响应而实际使用中，能否同步响应？实时实验并非“实时”线圈磁铁感应电流线圈实时实验并非“实时”（照相机高速摄影）系统的速度越慢，这种滞后现象越明显。实时实验并非“实时”数据存储A/D转换信号处理计算机外部信息（下一周期）传感器采样图像显示“取数”对于高速测量实时实验并非“实时”特点3：捕捉瞬间变化的数据超重失重实验传统的实验方法只能看到短暂现象，无法准确记录变化的过程。超重、失重现象传统实验很难记录这种动态变化的过程超重失重超重失重下降上升超重失重垂直电梯中的超重和失重加速上升匀速上升减速上升加速下降匀速下降减速下降失重超重超重、失重只与加速度的方向有关与速度的方向（上升、下降）无关电流电压电容器充放电充电放电电感的电压、电流短暂的自感现象内电压外电压验证：内电压＋外电压＝恒定值实验效果不佳电动势和内、外电压特点4：测量精确改用数字化实验电压传感器可调的高内阻电源使用清水直接进行实验内部结构旧电池芯探针（粗铜丝）探针（粗铜丝）锌板铜丝插入电池芯焊接＋－电路图电极电极电压传感器2电压传感器1ABab探针测量外电压测量内电压滑动变阻器（外电阻）尽量靠近，但不要接触。电源电动势和内外电压的关系E=U外+U内=1.17V准确的实验数据容易使学生信服特点5：测量微弱信号单根导线切割磁力线测量水果电池插入磁铁拔出磁铁（单匝线圈）愣次定律磁铁不动微电流传感器测量微弱信号温度传感器致冷片手掌接近时会产生电流探测热辐射间接测量温度变化0.8μA手机的辐射能否测量CDMA手机GSM手机静音接收0.62μA这是与手机有关联的相关信号将扬声器当传感器使用吹气声响手机发射手机接收环形线圈探测电磁波剃须刀空调电吹风电视机电风扇探究生活中的电磁波计算机没有联网的计算机，会不会自动向外泄漏信息？通过计算机的电磁波泄漏信息英国BBC电视直播正在编辑的绝密情报计算机泄漏的电磁波计算机工作时不断将各种信息（键盘操作、文字、图像、声音等），通过电磁波向空间散布。只要使用特殊的遥测技术，在1公里处就可以准确地捕获这些信息。关闭软件打开软件登陆网页敲击键盘让学生了解：电磁波带来了便利；也带来了危害；大数据时代的“危”与“机”棱镜门监控事件利用信息技术监控全世界致冷片电信号难以测量和显示的微弱信号微电流传感器的用途非常广泛。可以通过适当方式，将微弱信号转变为电学量，从而间接地检测各种非电信号。一、什么是数字化实验？二、数字化实验有什么特点？三、“用”好数字化实验3、用对地方——数字化实验是一种新型工具。只有恰当地使用，才能取得预期的教学效果。2、会用——学会具体的操作。包括：计算机的操作；传感器的选择；软件界面的调配；配套器材的使用等。三层含义：1、用——为了“用”而购买仪器；买了仪器就要“用”；要有良好售后服务的仪器；要买能“用”的仪器；仪器“用”不坏，放心大胆地用；室内温度32℃。杯内倒入27℃液体。问：当温度计从液体中取出后，显示的温度是否立刻回升到32℃？液体温度27℃液体蒸发温度降低室温32℃换一种情景温度计不易看清实验比较枯燥改用数字化实验室温32℃浸入27℃液体内从液体内取出残留液体快速蒸发，温度急剧下降。用图线描绘温度变化27℃液体全部蒸发，温度逐渐回升。32℃敲击主动音叉使其振动，通过共鸣箱，使被动音叉产生共振。声音的共振加入声波传感器，将声音放大。让学生“看见”声音主动音叉停止振动被动音叉继续振动用手匀速拖动将“摩擦力”图形化电机匀速拖动监测实验全过程，显示静摩擦力和滑动摩擦力的区别。最大静摩擦力：4N静摩擦力逐步增大转变为滑动摩擦力不同的正压力，摩擦力也不同。摩擦力与正压力的关系图线作用力与反作用力是否相等？小车启动时作用力与反作用力是否相等？小车刹车时作用力与反作用力是否相等？刹车：挤压启动：拉伸牵引车与拖车传统的实验方法不易观察变速运动中，匀速运动中，小车运动过程中作用力与反作用力是否相等？运用数字化实验进行探究——加速运动中，作用力与反作用力先静止后加速运动静止时,拉力等于外部牵引力（重力）加速时,拉力小于牵引力但拉力与牵引力始终相等实验表明：作用力与反作用力始终相等，与物体的运动状态无关。数字化实验中的注意事项1、使用专用软件还是通用软件？专用软件：为上海教材定制，简单、方便，但有一定局限性。通用软件：可根据需要灵活应用。可选项目比较多，初期学习有一定难度。通用软件界面点击“添加”点击“X轴”点击“Y轴”点击“确定”添加图线通用软件界面同时插入电压、电流传感器点击“平铺窗口”点击“组合图线”同时观察2个物理量点击“添加”点击“X轴”X轴选择电压点击“Y轴”Y轴选择电流点击“确定”电压电流2、标尺的自适应性纵坐标具有自适应性，当测量值超出标尺最大值时，标尺值会自动增大。数据增大3、用DIS测定加速度1、手不要进入发射器与接收器之间，以免中断信号或引起干扰。2、各组实验保持距离，以避免干扰。3、避免气流扰动（空调、电风扇等）。加速度v—t图测量加速度在斜线上选取范围这是正常的图线如果受到外部干扰信号将会如何？v—t图由于干扰信号，系统自动压低了正常信号的幅度。干扰信号应从正常信号中选取区段正常错误信号被压低学生将会如何选择区间？•小车滑行距离控制在70厘米以内。•小车滑行结束时，利用吸收装置，或用手接住小车，防止小车撞击、反弹，引起数据跳变。防止数据跳变4、动能与势能转化的规律势能和动能可以转化，但总的机械能不变。实验前的准备•铁架台的立柱未旋紧；•铁架台的底座变形（桌面变形），摇晃不稳；•立柱与水平面不垂直；•建议演示教具采用三角支架（便于调节立柱垂直）；实验前的准备旋紧前后两只螺母，在实验过程中不要让摆锤释放器和光电门发生移动。拧紧螺母让摆锤自然下垂，以摆线为基准，调整实验器的放置位置，使标尺盘上的垂直线与摆线平行。摆线垂直线摆锤调整铁架台将光电门置于标尺盘的D点，此时光电门的接收孔应当与标尺盘的圆弧边缘处于同一水平线。调整光电门位置接收孔D点让摆锤自然下垂，观察摆锤的质心是否与标尺盘的圆弧边缘处于同一水平线，否则需要对摆锤的系线进行伸缩调整。摆锤调整摆锤的系线摆锤的质心摆锤释放器置于A点，将摆锤置于释放器内，此时摆锤的系线应处于自然张紧状态，否则需要对释放杆进行伸缩调整。调整摆锤的系线系线自然张紧松弛摆锤释放器动能与势能转化的规律•摆锤从A点释放。•光电门先后置于D、C、B各点。D点位于标尺盘的边缘处D点B点C点A点各点的势能、动能和机械能理想的实验结果：机械能基本一致。各点机械能的误差理想的结果：数据有偏上，有偏下。不要都偏上。请注意：光电门本身是否存在误差？产生误差的原因1、实验装置未调整到位2、操作手法有误3、释放器的位置偏移4、光电门本身存在误差5、气体压强与体积的关系压强传感器1、手不要接触此处，以免温度影响。2、缓慢压缩，避免引起温度上升。软管的容积，加上传感器内部空腔的容积约为1毫升1毫升6、通电螺线管1、电路中串联10Ω保护电阻。2、使用稳定的直流电源（电压小于6V）。3、传感器不要长时间滞留在通电的螺线管内，以免损坏器件。霍尔元件通电后会发热图线异常•实验中使用的学生电源，其电压输出必须稳定，如果出现电压波动，其图线会出现异常。或使用3V电池7、小灯泡U-I曲线使用电流、电压传感器使用小灯座使用电路板电路连接（1）滑动电阻器电流传感器电压传感器灯最低电压＞0V图线不完整电路连接（2）最低电压＝0V电压传感器滑动电阻器电流传感器灯小灯不发光斜率（电阻）基本不变小灯暗红状态斜率（电阻）明显变大；小灯完全发光斜率（电阻）基本不变；注意取数范围，展示图线弯曲部分•点击“绘图”，显示电压与电流的关系图线。√√×选用功率较大的灯泡6.3V0.15A6.3V0.42A6V5W热电阻的非线性主要表现在温度剧烈变化的阶段，在此之前和以后，图线近似于线性。选用功率较大的灯泡，便于显示温度变化过程中，灯泡电阻的非线性变化。通用软件测U–I曲线UIR0.400.182.221.200.343.531.600.384.212.400.445.453.200.506.404.000.557.274.800.608.00电阻值随电压升高而增大UI8、变力作用下的动量定理•调整力传感器的高度，使其挂钩与小车的弹簧圈位于同一高度。力传感器光电门弹簧圈2厘米挡光片小车与配重注意：光电门的安装位置小车挡光结束后，立即与挂钩相碰。光孔位置•导体由不同高度下落，利用光电