基于Matlab平臺(tái)的電阻特性實(shí)驗(yàn)

楊萍萍，馬 亮，趙 炯

(河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院，河北唐山 063000)

Matlab軟件以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算功能已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，姚［1-2］探討了用Matlab語(yǔ)言對(duì)單擺測(cè)量重力加速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。韓［3］等人以弦駐波實(shí)驗(yàn)為例介紹利用Matlab語(yǔ)言對(duì)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法和過(guò)程。文章中將Matlab軟件應(yīng)用到電阻特性實(shí)驗(yàn)中，快速準(zhǔn)確地完成了光敏電阻的伏安特性曲線、光照特性曲線以及熱敏電阻的溫度特性曲線繪制，表明在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Matlab軟件是可行的。

1 光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)

光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測(cè)器，一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換。其電路見(jiàn)圖1。

圖1 光敏電阻特性測(cè)試電路

1.1 光敏電阻的伏安特性實(shí)驗(yàn)

在一定的入射光強(qiáng)照度下，光敏電阻的電流I與所加電壓U之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。伏安特性曲線是光敏傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)選擇電參數(shù)的重要依據(jù)，改變照度則可以得到光敏電阻的一組伏安特性曲線。

通過(guò)設(shè)定光源電壓U燈以提供恒定的光強(qiáng)，測(cè)出在一定的光照條件下，依次改變總電壓U為2 V、4 V、6 V、8 V、10、12 V時(shí)保護(hù)電阻R兩端的電壓值UR，進(jìn)而獲得光敏電阻的光電流數(shù)據(jù)，調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，記錄2組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)得出的原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表2。

表1 U燈=8 V

表2 U燈=10 V

利用Matlab軟件計(jì)算相應(yīng)總電壓U下的光電流數(shù)據(jù)填入表1、表2，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制光源電壓U燈=8 V和U燈=10 V時(shí)光敏電阻的伏安特性特性曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 光敏電阻伏安特性曲線

從光敏電阻的伏安特性可以看出，光敏電阻類似一個(gè)純電阻，其伏安特性線性良好，在一定照度下，電壓越大光電流越大，但必須考慮光敏電阻的最大耗散功率，超過(guò)額定電壓和最大電流都可能導(dǎo)致光敏電阻的永久性損壞。

1.2 光敏電阻的光照特性實(shí)驗(yàn)

光敏電阻的光譜靈敏度與入射光強(qiáng)之間的關(guān)系稱為光照特性，有時(shí)光敏電阻的輸出電壓或電流與入射光強(qiáng)之間的關(guān)系也稱為光照特性。光照特性也是光敏傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)選擇參數(shù)的重要依據(jù)之一。

通過(guò)設(shè)定總電壓U為恒定值，測(cè)出依次改變光源電壓 U燈為2 V、4 V、6 V、8 V、10 V、12 V時(shí)保護(hù)電阻R兩端的電壓值UR，進(jìn)而獲得光敏電阻在相對(duì)光照強(qiáng)度從“弱光”到逐步增強(qiáng)的光電流數(shù)據(jù)，調(diào)大總電壓U重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，記錄2組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)得出的原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表3～表4。

表3 U燈=8 V

表4 U燈=10 V

利用Matlab軟件計(jì)算光源電壓U燈下的光電流數(shù)據(jù)填入表3、表4，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制光源電壓U=8 V和U=10 V時(shí)光敏電阻的光照特性特性曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 光敏電阻光照特性曲線

從光敏電阻的光照特性可以看出光敏電阻的光照特性呈非線性，一般不適合作線性檢測(cè)元件。

2 熱敏電阻特性實(shí)驗(yàn)

熱敏電阻是對(duì)溫度敏感的電阻總稱，是一種電阻值隨溫度變化的電阻，利用導(dǎo)電物體的電阻率隨溫度而變化的效應(yīng)可以制成熱電阻式傳感器。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類。

實(shí)驗(yàn)以常用的金屬熱電阻鉑電阻Pt100為例來(lái)研究其溫度特性，通過(guò)依次改變溫度，測(cè)出保護(hù)電阻R兩端的電壓值UR，進(jìn)而獲得熱敏電阻在相應(yīng)溫度下的電阻值，實(shí)驗(yàn)得出的原始數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

表5 Pt100的溫度特性

利用Matlab軟件計(jì)算在不同溫度下鉑電阻的電阻值填入表5，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制熱敏電阻的溫度特性曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 熱敏電阻溫度特性曲線

從熱敏電阻的溫度特性可以看出，熱敏電阻的溫度特性線性良好，溫度越高電阻值越大。

3 結(jié) 論

Matlab軟件在光敏電阻伏安特性、光照特性及熱敏電阻溫度特性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用表明，使用Matlab軟件能夠迅速地完成求值、描點(diǎn)、作圖，既省時(shí)高效，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［1］，值得在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中推廣使用Matlab軟件輔助教學(xué)。

［1］段秀芝，楊萍萍.Origin軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，15(2):71-73.

［2］姚琴芬.Matlab語(yǔ)言在物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24(6):52-54.

［3］韓敬，鐘方川.Matlab在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2008，21(1):88-90.