簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀的設計及其穩(wěn)定性的研究

李景奎，崔金剛，張中興，牟洪波

(東北林業(yè)大學，黑龍江哈爾濱150040)

電位差計實驗是大學物理實驗中最基本的實驗項目之一，實驗所需要的待測電動勢要求為毫伏級，靈敏度高，大小可調(diào)節(jié)，能夠可重復性測量等特點［1-2］。目前多數(shù)高校在電位差計實驗教學及測量時，所用的待測電動勢一般有兩種:一種是用酒精燈加熱熱電偶的方法來產(chǎn)生待測電動勢，通過熱電偶的溫度改變來實現(xiàn)［3-4］。另一種方法是通過光電轉換來實現(xiàn)的，利用小燈泡或者LED發(fā)出的光照在光電二極管上，產(chǎn)生光電流，將光電二極管與電位器相連，在光電二極管輸出端產(chǎn)生毫伏級電動勢［5-6］。這兩種方法都有一定缺陷，第一種方法實驗時間長，控制起來不靈敏，危險性較大;第二種方法產(chǎn)生的電動勢不能長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，電動勢的大小會發(fā)生的漂移，實驗的重復性不好，而且這兩種方法都耗能，不夠環(huán)保，在實驗準備和實驗進行中不可避免要添加酒精，更換小燈泡，LED燈珠等，不可避免增加了實驗人員的工作量［7］。

1 簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀的設計

簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀原理圖見圖1，它包括直流穩(wěn)壓電源E、發(fā)光二極管LED、電阻R和電位器RP，直流穩(wěn)壓電源E的正極連接發(fā)光二極管LED的陽極，發(fā)光二極管LED的陰極連接直流穩(wěn)壓電源E的負極，作為儀器指示燈。直流穩(wěn)壓電源E的連接電阻R，電阻R連接電位器RP的一個固定端，電位器RP的滑動端和一個固定端之間輸出毫伏級電動勢。其中，直流穩(wěn)壓電源E采用電壓為3 V的直流穩(wěn)壓電源。發(fā)光二極管LED采用功率為1W的發(fā)光二極管。電阻R采用電阻為36 kΩ。輸出電動勢的大小可通過電位器調(diào)節(jié)，其中，連續(xù)穩(wěn)定的電動勢0～170 mV能夠滿足電位差計實驗對待測電動勢具體實驗要求。

圖1 簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀原理圖

2 簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀穩(wěn)定性的研究

2.1 簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀穩(wěn)定性研究的實驗設計

根據(jù)測量儀器穩(wěn)定性的需要，在電位差計測量范圍0～170 mV調(diào)節(jié)電位器改變輸出電動勢的大小，共設置6個組別，分別為V1(5 mV)、V2(20mV)、V3(40 mV)、V4(80 mV)、V5(120 mV)、V6(160 mV)。共6個組別，具體的參數(shù)設定與順序排列見表1，所示分別測試每組在5 min，10 min，30 min，60 min，120 min 的電動勢的大小，不同時間節(jié)點讀數(shù)三次，并求出3次測量的平均值，分析不同組別輸出毫伏級電動勢的穩(wěn)定性。

表1 簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀穩(wěn)定性研究的實驗結果

2.2 簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀穩(wěn)定性研究的實驗結果

圖2 輸出電動勢平均值隨時間變化規(guī)律

在整個測量讀數(shù)過程中，電位差計實驗的電流表指針擺動幅度非常小，幾乎不動，從表1的讀數(shù)結果可以看出，V1和V2兩個組別不同時間的三次讀數(shù)差異很小，不超過0.02 mV;從V5、V6、V7和V8四組數(shù)據(jù)可以看出，輸出的電動勢在40～160 m范圍內(nèi)也非常穩(wěn)定，同組中最大差異也沒有超過0.05 mV，特別是80 mV左右的V4組，實驗數(shù)據(jù)變化很小，有的時間點測量的3次讀數(shù)幾乎不變。輸出的電動勢平均值隨時間變化規(guī)律見圖2，從V1到V6的6個組別輸出電動勢平均值的大小幾乎不隨時間改變，6條曲線非常平穩(wěn)，接近平行，說明簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀在各個節(jié)點輸出電動勢幾乎不隨時間變化。從整體上看，在電位差計量程范圍內(nèi)，簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀輸出的六個組別電動勢讀數(shù)是非常穩(wěn)定的。

3 結 論

從簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀穩(wěn)定性研究的實驗結果來看，輸出的電動勢在0～170 mV范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，不隨時間改變，輸出電動勢大小連續(xù)可調(diào)，能夠滿足在電位差計實驗儀測量范圍0～170 mV測量需求;從簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀原理可以看出，待測電動勢實驗儀是通過改變輸出端電阻大小來實現(xiàn)輸出電動勢的變化，實驗原理簡單，制作容易，簡易式毫伏級可控電動勢沒有采用易損白熾燈和熱電偶等的耗能元件，避免耗能元件使用壽命有限帶來日常更換維護等方面困擾。解決了現(xiàn)有待測電動勢控制不靈敏，實驗周期長，危險性大，短時間無法重復驗證實驗，產(chǎn)生的電動勢不穩(wěn)定，電動勢的大小漂移，實驗重復性不好等這一系列問題。另外，所設計簡易式毫伏級待測電動勢實驗儀不受溫度、光照等環(huán)境因素影響，具有使用方便，制作簡單，節(jié)能環(huán)保，成本低廉，穩(wěn)定耐用，實驗效果良好等優(yōu)點，是非常理想的箱式電位差計實驗配套儀器。

［1］李磊，蘇學軍.箱式電位差計交流電源的新設計［J］.大學物理實驗，2007，20(2):57-59.

［2］張波.電位差計測量電池電動勢的誤差分析［J］.沈陽大學學報，1994(2):27-30，1999，12(1):57-60.

［3］高秋捷.熱電偶的溫差電特性［J］.大學物理實驗，2004，17(1):37-39.

［4］熊艷玲，張宏琴，呂月蘭.直流電位差計測量熱電偶電動勢的不確定度分析［J］.大學物理實驗，1999，(1):56-60.

［5］李廣英，趙雪，仇三東，等.光電毫伏級待測電動勢實驗儀的設計及其穩(wěn)定性的研究［J］.課程教育研究，2014(1):230-230.

［6］李廣英，趙雪，仇三東，等.LED毫伏級待測電動勢實驗儀的設計及其穩(wěn)定性的研究［J］.大學物理實驗，2013，27(6):45-47.

［7］支燕，蔡淵明.電勢差計實驗中常見故障的研究［J］.工科物理，1998(5):29-31.