基于PASCO系統(tǒng)的低溫?zé)彷椛溆绊懸蛩氐难芯?/h1>
2014-12-24 06:40:06李宇飛
大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 2014年5期
陳 新，陳 龍，李宇飛，王 珊
(上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620)
電子計算機(jī)的出現(xiàn)使得各行各業(yè)的工作方式出現(xiàn)了翻天覆地的變化，在物理學(xué)方面，電子計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力以及布爾代數(shù)系統(tǒng)，使得用電子計算機(jī)對物理實(shí)驗(yàn)儀器的信號采樣及計算成為可能。利用美國PASCO公司傳感器熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的各種傳感器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集接口，配以專用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集軟件，對低溫?zé)彷椛鋵?shí)驗(yàn)進(jìn)行研究［1-3］。
1 PASCO傳感器熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測量方法
PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由TD-8580A型腔體熱輻射儀、CI-6552A型功率發(fā)生器、CI-6527A型熱敏電阻傳感器、CI-6628型紅外光傳感器、CI-6538型轉(zhuǎn)動傳感器及其線性運(yùn)動附件、60厘米光學(xué)導(dǎo)軌、光闌底架、750型接口、計算機(jī)和Datastudio軟件等部分組成［1］。
PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測量裝置俯視圖如圖1所示:將裝有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳感器的線性運(yùn)動附件安置在光軌的一端，將安裝了光闌底架的紅外光傳感器插于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳感器上的夾槽中。把腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀安裝在光軌上。調(diào)整紅外光傳感器的高度，使之與腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀上腔體中心高度相匹配。實(shí)驗(yàn)中，腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀上加熱的鋁立方腔體可以360度旋轉(zhuǎn)，立方腔體與紅外光傳感器之間距離可以調(diào)節(jié)改變，推動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳感器帶動紅外光感應(yīng)器可以沿著線性運(yùn)動附件方向掃描過立方體的一個側(cè)面。
圖1 PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測量裝置俯視圖
2 實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)分析
2.1 加熱的鋁立方腔體四個不同側(cè)面的紅外輻射情況
旋轉(zhuǎn)腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀上加熱的鋁立方腔體，使之四個不同的側(cè)面分別面對紅外光傳感器，推動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳感器帶動紅外光感應(yīng)器可以沿著線性運(yùn)動附件方向掃描過立方體的一個側(cè)面，比較不同側(cè)面的紅外輻射情況。
圖2 鋁立方腔體四個不同側(cè)面的紅外輻射情況
圖2中縱坐標(biāo)表示紅外光傳感器測量的光強(qiáng)大小(%)，橫坐標(biāo)表示紅外光傳感器沿著線性運(yùn)動附件方向掃描過立方體的一個側(cè)面的相對位置(m)。由圖可見在相同溫度下，鋁四方腔體四個不同側(cè)面的紅外光強(qiáng)的比較中，黑面的熱輻射量最大，白面和洞磨砂鋁面次之，拋光鋁面最小，其中的洞磨砂鋁面的中心有一個小洞，熱輻射在此點(diǎn)達(dá)到極大值，可以看出，熱輻射在有洞的一個很小的區(qū)域內(nèi)有聚集效應(yīng)。
2.2 鋁立方腔體溫度、相對位置對紅外輻射的影響
改變鋁立方腔體的溫度，測量不同溫度下鋁立方腔體輻射量最多的黑色表面的紅外熱輻射情況。溫度變化范圍為40℃ －70℃。
圖3和圖4中I表示紅外光傳感器測量的光強(qiáng)大小(%)，X表示紅外光傳感器沿著線性運(yùn)動附件方向掃描過立方體的一個側(cè)面的相對位置(m)，T表示測量時立方腔體的溫度(℃)?？梢悦黠@看出，隨著X也就是相對位置的變化，紅外熱輻射的光強(qiáng)變化呈現(xiàn)先增大后減小的圖線，明顯看出紅外光傳感器正對立方腔體中心位置時紅外光強(qiáng)最強(qiáng)，并且曲線相對中心位置呈現(xiàn)左右對稱的趨勢。隨著溫度T的升高，整個I-X曲線的形狀不變，但采集到的光強(qiáng)隨溫度升高而升高。
圖3 溫度、相對位置與紅外光強(qiáng)的數(shù)據(jù)云圖
圖4 溫度、相對位置與紅外光強(qiáng)的三維立體圖
2.3 立方腔體與紅外光傳感器之間距離及相對位置對紅外輻射的影響
改變立方腔體與紅外光傳感器之間距離，測量不同距離下鋁立方腔體輻射量最多的黑色表面的紅外熱輻射情況。
圖5 距離、相對位置與紅外光強(qiáng)的數(shù)據(jù)云圖
圖6 距離、相對位置與紅外光強(qiáng)的三維立體圖
圖5和圖6中I表示紅外光傳感器測量的光強(qiáng)大小(%)，X表示紅外光傳感器沿著線性運(yùn)動附件方向掃描過立方體的一個側(cè)面的相對位置(m)，Y表示測量時立方腔體正對紅外光傳感器時兩者之間距離(m)?？梢悦黠@看出，隨著距離Y的增大，整個I-X曲線的形狀保持不變，但采集到的光強(qiáng)會隨距離的增大而逐漸減小。圖6更直觀地顯示出距離熱源立方腔體0.14 m*0.18 m整個面積內(nèi)熱輻射量在整個空間的分布情況。
3 結(jié) 論
通過對低溫?zé)彷椛鋵?shí)驗(yàn)中加熱的立方腔體的表面特性、溫度、距離、相對位置等主要影響因素的研究，發(fā)現(xiàn)在相同溫度下，鋁四方腔體四個不同側(cè)面的紅外光強(qiáng)的比較中，黑面的熱輻射量最大，白面和洞磨砂鋁面次之，拋光鋁面最小，其中的洞磨砂鋁面的中心有一個小洞，熱輻射在此點(diǎn)達(dá)到極大值，可以看出，熱輻射在有洞的一個很小的區(qū)域內(nèi)有聚集效應(yīng);熱源呈對稱的幾何形狀時，其掃描過整個熱源區(qū)域的熱輻射曲線也相對其中心位置呈對稱分布;熱輻射紅外光強(qiáng)會隨著熱源溫度的升高而增大;離熱源越近，熱輻射紅外光強(qiáng)越高，隨著離熱源距離的增加，熱輻射紅外光強(qiáng)會逐漸減小。
［1］王珊.電腦控制熱輻射實(shí)驗(yàn)的拓展［J］.科技資訊，2012(30):3.
［2］李偉斌，熊永紅.熱輻射基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2003(1):9-17.
［3］唐麗華.基于PASCO平臺的溫度信息采集［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26(5).
［4］鄒元奕，王瑩.外力驅(qū)動的混沌擺實(shí)驗(yàn)儀在研究混沌效用上的應(yīng)用［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013(4):13-15.
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PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測量裝置俯視圖如圖1所示:將裝有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳感器的線性運(yùn)動附件安置在光軌的一端，將安裝了光闌底架的紅外光傳感器插于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳感器上的夾槽中。把腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀安裝在光軌上。調(diào)整紅外光傳感器的高度，使之與腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀上腔體中心高度相匹配。實(shí)驗(yàn)中，腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀上加熱的鋁立方腔體可以360度旋轉(zhuǎn)，立方腔體與紅外光傳感器之間距離可以調(diào)節(jié)改變，推動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳感器帶動紅外光感應(yīng)器可以沿著線性運(yùn)動附件方向掃描過立方體的一個側(cè)面。
圖1 PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測量裝置俯視圖
2 實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)分析
2.1 加熱的鋁立方腔體四個不同側(cè)面的紅外輻射情況
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圖2 鋁立方腔體四個不同側(cè)面的紅外輻射情況
圖2中縱坐標(biāo)表示紅外光傳感器測量的光強(qiáng)大小(%)，橫坐標(biāo)表示紅外光傳感器沿著線性運(yùn)動附件方向掃描過立方體的一個側(cè)面的相對位置(m)。由圖可見在相同溫度下，鋁四方腔體四個不同側(cè)面的紅外光強(qiáng)的比較中，黑面的熱輻射量最大，白面和洞磨砂鋁面次之，拋光鋁面最小，其中的洞磨砂鋁面的中心有一個小洞，熱輻射在此點(diǎn)達(dá)到極大值，可以看出，熱輻射在有洞的一個很小的區(qū)域內(nèi)有聚集效應(yīng)。
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圖3和圖4中I表示紅外光傳感器測量的光強(qiáng)大小(%)，X表示紅外光傳感器沿著線性運(yùn)動附件方向掃描過立方體的一個側(cè)面的相對位置(m)，T表示測量時立方腔體的溫度(℃)?？梢悦黠@看出，隨著X也就是相對位置的變化，紅外熱輻射的光強(qiáng)變化呈現(xiàn)先增大后減小的圖線，明顯看出紅外光傳感器正對立方腔體中心位置時紅外光強(qiáng)最強(qiáng)，并且曲線相對中心位置呈現(xiàn)左右對稱的趨勢。隨著溫度T的升高，整個I-X曲線的形狀不變，但采集到的光強(qiáng)隨溫度升高而升高。
圖3 溫度、相對位置與紅外光強(qiáng)的數(shù)據(jù)云圖
圖4 溫度、相對位置與紅外光強(qiáng)的三維立體圖
2.3 立方腔體與紅外光傳感器之間距離及相對位置對紅外輻射的影響
改變立方腔體與紅外光傳感器之間距離，測量不同距離下鋁立方腔體輻射量最多的黑色表面的紅外熱輻射情況。
圖5 距離、相對位置與紅外光強(qiáng)的數(shù)據(jù)云圖
圖6 距離、相對位置與紅外光強(qiáng)的三維立體圖
圖5和圖6中I表示紅外光傳感器測量的光強(qiáng)大小(%)，X表示紅外光傳感器沿著線性運(yùn)動附件方向掃描過立方體的一個側(cè)面的相對位置(m)，Y表示測量時立方腔體正對紅外光傳感器時兩者之間距離(m)?？梢悦黠@看出，隨著距離Y的增大，整個I-X曲線的形狀保持不變，但采集到的光強(qiáng)會隨距離的增大而逐漸減小。圖6更直觀地顯示出距離熱源立方腔體0.14 m*0.18 m整個面積內(nèi)熱輻射量在整個空間的分布情況。
3 結(jié) 論
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［1］王珊.電腦控制熱輻射實(shí)驗(yàn)的拓展［J］.科技資訊，2012(30):3.
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