论文导读:：在现有的一体化力传感器实验仪的基础上，应用模块化设计思想提出并构建一种综合性较强的具有现代电子测量特点的力传感器实验平台。该平台具有三种不同桥臂电路输出的力传感器检测功能，并可应用计算机实时测量应变片随外测压力变化的曲线，同时可根据初测结果调整修正系数和使用软件数值处理方法进行数据拟合。
论文关键词：模块化设计，力传感器实验平台，计算机实时测量，软件数值处理
0引言
随着电子测量技术的不断发展，越来越多的电子测量新技术也不断地应用到物理实验中，特别是物理实验仪器，目前大多数的实验仪器越来越往一体化方向发展，一个实验或多个实验只要在一台仪器就可以完成，这种仪器的优点是讲义容易编写，仪器维护管理也比较方便，但它的不足之处是淡化了物理实验思路、过程和物理实验本身具有的帮助学生提高实验技能和培养科研素质的作用。由这种实验仪器开出的实验项目，学生只要通过简单的连线就能得出测量结果，面对这样的实验，比较多的同学反映，虽然可以较快地完成实验，但体会不了其实验思路，学不到实验方法、技能，也提不起兴趣。因此，更多的学生只是为了实验而实验，自然也就达不到做实验的目的。这样的项目，效果不佳，不利于培养学生的动手能力和独立思考能力。因此，作者对原有的一体化传感器实验仪的力传感器实验部分进行有效的改进，应用模块化的实验思路提出一种改进方法，该方法按模块化组合的方式构建了即可独立使用又能组合在一起的实验平台，同时在检测电路方面引入了数据采集和计算机通信等具有现代电子测量新技术的内容，使该实验不但具有清晰模块化物理思想又可以让学生通过实验学习到新技术、新知识，而且还能培养学生的独立思考分析能力，在实验过程中可对测量结果自行分析并进行修正，重复实验，以达到最佳实验结果，培养和提高了他们自主实验的能力。下面介绍其原理、方法。
1实验原理
在力学中用来作称量或者做微小应变力测量的器件和材料有很多，金属应变式电阻应变片是常用的测量材料之一，其原理是应用金属的电阻应变效应。假设有一段截面积为S，长度为L的电阻丝，在未受压力时，其原始电阻为R，当电阻丝受外力应变时，其长度变为 ，面积相应减小 ，电阻率则因晶格发生变化而改变，如果其变化量为 ，则由大量实验可以证明： ，其中 称为电阻的灵敏系数。
由金属箔应变片做成的应变片力传感器正是基于这样的原理做成的，它由基底、敏感
栅、覆盖层和引线等组成。本实验采用由这种金属箔应变片做成的双孔压力传感器，其示意如图1所示，这种传感器的上梁表面和下梁表面对称地贴有四片金属箔式应变片。当我们在传感器的承重圆盘上增加法码时，粘贴在上表面的两片应变片将受到拉伸，粘贴在下表面的两个应变片将受到挤压，它们的电阻值将发生变化，通过测量电路就可以将电阻的应变量转换成电压信号输出在仪表上显示。图2~4为几种常用的电路检测方法，其中 和 组成调零电路，以减小电路产生的误差，提高检测精度。
 
图1 双孔压力传感器图2 单臂接法
 
图3双臂接法图4四臂接法
以上三种电路其输出电压如下公式所示：
 （单臂）（1）
 （双臂）（2）
 （四臂）（3）
其对应的输出灵敏度为：
 （4）
 （5）
 （6）
2实验方法
在大学物理实验教学中主要采用上述三种电路的连接方式，一般的一体化实验仪器也带有如上图2~4所示电路的实验模块，这三种连接方法也是常用的实验依据。该文提出的方法是在不改变其电路基本接法的情况下，提出如图5所示的由桥臂输出检测模块、信号调理模块、数据采集模块和计算机组成微弱信号检测实验平台，另一方面将桥臂电路中的电位器和电阻分别由精密可调电位器和精密电阻代替软件数值处理，这样改进的好处是在实验中引入了现代电子测量技术，减小了检测元件带来的额外误差，提供了实验精度小论文。
图5 力传感器实验平台组成
信号调理则由自行设计的双通道精密可调高增益直流放大器，该增益放大器的放大倍数可高达1000倍，共模抑制信噪比可达104，其单通道电路如6所示。应变片桥臂检测电路输出的微小变化量经该放大器放大后，由计算机实时采集数据采集模块的输出电压，并可通过采集软件进行数据处理。
图6 精密可调高增益直流放大器
该实验平台的组成如图7所示，精密力传感器模块由力传感器和桥臂检测电路组成；应变片传感器模块由应变片力传感器和桥臂检测电路组成；信号调理器1、2则由具有低通滤波功能的高增益直流放大器模块组成；数据采集模块则采用PASCO500接口，该接口有三个模拟电压采集通道，同时又具有与计算机通信的功能，在计算机中可方便应用软件进行数据采集，通过在软件中设置采集物理量之间的关系（即x-y坐标）即可实时测量。由于接口通道中采集到的是电压，因此，需要将精密力传感器输出的采集电压转换为对应的被测压力（克），所以，必须应用软件中提供的公式计算器进行关系换算，这也是我们选择PASCO接口实现本实验的原因之一。实验中，用两个采集通道来完成，A通道作为精密力传感器对相应的不同测量物体压力进行同步转换，B通道则用来测量不同被测物体对应的应变片电压输出。为了实现A通道的功能，只需使用PASCO系统提供的“实验计算机”软件模块进行公式换算即可完成，其软件模块设置界面如图8所示。
 
图7 实验平台实现框图图8 实验计算机
4 实验结果
本实验采用350Ω的应变片，供电电压为±2伏，采用三种不同的电路接法，并按图7所示方框图连接，然后，按图8所示的软件模块鼠标点击“INPUT”软件按键选择A通道输入即可显示@A.电压，由计算机键盘输入“*C”；在界面显示的“计算名称”、“简称”和“单位”等空白处相应输入“质量”、“m”和“克”，按回车键，即可完成将测量的电压转换为质量的设置。其中“*C”为修正系数，由不同电路连接方式相应输出的电压值与质量的比例关系确定，经过这样修正后，可提高测量精度。图9~11为按该实验平台采集到的三种电路连接方式测量应变片力传感器随外加压力（小铜块）变化输出的关系曲线。这三种曲
图9 单臂电路输出
图10 双臂电路输出
图11 四臂电路输出
线是经过线性拟合得到的，只要按简单的选点就可以得出电压（V）-力（F）的变化斜率。经软件数据计算工具，可求得它们的灵敏度分别为：
 （单臂）， （双臂）， （四臂）
由此可得出它们的灵敏度比例为1：2：4，其中四臂的灵敏度最高，这个结果同上述的理论公式4~6是一致的，表明该实验方法是可行的。如果测量的结果与公式有偏差，可以在“实验计算机”中输入调整修正系数，直到测量结果与公式符合为止，通常只要进行两三次修正，即可得到正确结果。
5．结论
以上的实验综合体现了集电桥、力传感器、数据采集、计算机通信等模块于一体的实验思路，既灵活又统一。由该文提出的实验方法而构建的实验平台不仅可以让学生学习了解各独立模块的功用，还可以让学生了解如何应用现代电子测量的新技术、新手段进行实验。该方法充分体现了模块化自主实验的思想，突破了一体化仪器实验的不足，丰富了物理实验的思路和过程，帮助学生建立模块化组合的实验思想，提高了学生对物理实验的兴趣，培养了学生的自主实验技能，达到了物理实验所应有的功用，为物理实验提供了另一种思路，我们用此方法进行了多个传统物理实验的改进工作，并应用到物理实验教学中，取得了良好的效果。
[参考文献]
[1]李索文，姜文彬。“模块化”设计在综合性电子线路与系统设计实验课程中的探索与实
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