基于仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)熱敏電阻溫度特性教學(xué)研究

史悅 孫培育 梁振宇

摘? 要：熱敏電阻溫度特性在應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展前景。然而，受到儀器設(shè)備、時(shí)間空間等方面的限制，使用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可能會(huì)影響正常授課。基于仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)進(jìn)行熱敏電阻溫度特性實(shí)驗(yàn)，可以節(jié)約設(shè)備購買及維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)方便學(xué)生自主進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間地點(diǎn)的約束，采用仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)作為輔助教學(xué)的有效手段，可以有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：熱敏電阻溫度特性;仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái);輔助教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391.9;TN37? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）24-0043-03

Teaching Research on Temperature Characteristic of Thermistor Based on Simulation Experimental Cloud Platform

SHI Yue，SUN Peiyu，LIANG Zhenyu

（Civil Aviation Flight University of China，Guanghan? 618307，China）

Abstract：The temperature characteristic of thermistor has a broad development prospect in the application field. However，due to the limitation of the following aspects such as instrument and equipment，time and space etc，the adoption of real experimental equipments may have an influence in normal teaching. Conducting the experiment of thermistor temperature characteristic based on simulation experimental cloud platform can save the cost of equipment purchase and maintenance，and at the same time，it is convenient for students to carry out physical experiments independently without the limitation of time and place. Using the simulation experimental cloud platform as an effective method on auxiliary teaching，it can effectively improve the teaching quality.

Keywords：temperature characteristic of thermistor;simulation experimental cloud platform;auxiliary teaching

0? 引? 言

熱敏電阻屬于一種對(duì)溫度極為敏感的元件，構(gòu)成的材質(zhì)一般為半導(dǎo)體[1]。熱敏電阻相比其他溫度傳感器的優(yōu)勢(shì)有很多，首先，它的靈敏度很高，可以分辨出10-6 ℃數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的溫度變化，其次，它的體積可以做得很小，能放置到微小的縫隙、空腔甚至血管內(nèi)測量溫度，并且它的穩(wěn)定性極好，加工成本便宜，可以大批量生產(chǎn)，已廣泛地應(yīng)用于各種科研及生活領(lǐng)域[2，3]。因此，對(duì)熱敏電阻溫度特性的基礎(chǔ)研究具有重要的實(shí)用價(jià)值。為了節(jié)省購買和維護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的費(fèi)用，已經(jīng)有很多關(guān)于使用Matlab、Origin等科研軟件對(duì)熱敏電阻特性進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的案例[4-6]，而我校使用的安徽省科大奧銳科技有限公司提供的仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)可以不受教學(xué)實(shí)驗(yàn)場地和學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間的約束，更直觀逼真地進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)云操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從而有效地提高教學(xué)質(zhì)量[7-9]。

1? 仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)教學(xué)

仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)是仿真實(shí)驗(yàn)與云相結(jié)合：仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器及各種儀器之間交互使用的模擬實(shí)驗(yàn)，云是線上活動(dòng)。僅需一臺(tái)可以連接外部網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)，學(xué)生就可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)。利用仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)大體上分為兩種方式：第一種是純線上教學(xué)，第二種是采用線上線下相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。

1.1? 線上教學(xué)

在特殊情況下，比如新冠肺炎疫情期間，學(xué)生無法到達(dá)學(xué)校進(jìn)行線下的相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程操作，而只能采取居家的方式來學(xué)習(xí)相關(guān)課程。但是，相較于其他課程，實(shí)驗(yàn)課程需要操作儀器、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等的特殊性。居家情況下，學(xué)生沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器而無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)。因而，實(shí)驗(yàn)課程必須找到可以替代線下儀器的方法，同時(shí)，考慮到無法近距離面對(duì)面地進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的情況，而采取純線上的方式進(jìn)行課程的學(xué)習(xí)，仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)是一種很好的解決方法。仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)較好地模擬了實(shí)驗(yàn)儀器及各種儀器之間的交互使用，同時(shí)，學(xué)生可以線上多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的操作和學(xué)習(xí)。通過仿真云實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的操作及定量描述物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而更加深入地了解實(shí)驗(yàn)的原理及實(shí)驗(yàn)相關(guān)儀器的操作。作為特殊情況下的教學(xué)方式，仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)能夠保證教學(xué)任務(wù)較好地完成。

1.2? 線上線下相結(jié)合

一般在非特殊的情況下，仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)也可以作為一種輔助教學(xué)的手段。教學(xué)活動(dòng)同時(shí)采用線上以及線下相結(jié)合的方式，分為課上和課后。課上，學(xué)生可以先在傳統(tǒng)的教學(xué)場所中進(jìn)行學(xué)習(xí)，教師線下講授實(shí)驗(yàn)原理、講解儀器操作并輔助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作;課后，學(xué)生可以自主便捷地通過仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)來鞏固所學(xué)到的知識(shí)。仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的模擬十分細(xì)致逼真，讓學(xué)生仿佛身臨其境，同時(shí)還不會(huì)受到儀器損耗、使用壽命的影響，以及教學(xué)場所等時(shí)空的限制。學(xué)生在線上做完實(shí)驗(yàn)可以立即看到自己的成績以及哪里的實(shí)驗(yàn)操作存在錯(cuò)誤，通過一系列對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的評(píng)估發(fā)現(xiàn)，仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)作為輔助教學(xué)的手段取得了良好的效果。

2? 仿真平臺(tái)教學(xué)案例

2.1? 熱敏電阻溫度特性實(shí)驗(yàn)原理

2.1.1? 熱敏電阻原理

熱敏電阻屬于半導(dǎo)體器件中對(duì)溫度極為敏感的元件，其電阻值會(huì)隨著微小的溫度變化而產(chǎn)生微小的波動(dòng)。熱敏電阻分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）的阻值隨溫度升高而增大，而負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）的阻值隨溫度升高而減小。熱敏電阻的電阻值與溫度存在以下的函數(shù)關(guān)系：

Rt=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，Rt為溫度是T時(shí)的電阻值，A為常數(shù)，Bn為半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)。T為絕對(duì)溫度。絕對(duì)溫度T是通過實(shí)驗(yàn)中測量的攝式溫度t轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化關(guān)系為T=273+t。

2.1.2? 電路設(shè)計(jì)原理

測量熱敏電阻的溫度特性，主要是測量不同溫度情況下的電阻值。熱敏電阻值采用惠斯通電橋電路來測量，如圖1所示。

惠斯通電橋是一種直流單臂電橋，它是由四個(gè)電阻組成的四方形閉合電路。當(dāng)電橋平衡時(shí)，A和B兩端的電壓相等，C和D兩端的電勢(shì)相等，此時(shí)，檢流計(jì)兩端的電勢(shì)差為零，它的示數(shù)為零。當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，四個(gè)電阻之間的關(guān)系為：

Rx=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中，Rx為待測電阻，R1，R2，R0均為電路中的電阻，其電阻值均為已知量，R1/R2稱為R0的倍率。當(dāng)采用惠斯通電橋來測量電阻值時(shí)，一般令R1=R2，即R0的倍率為1，從而使得待測電阻值Rx與調(diào)節(jié)電路平衡時(shí)的電阻值示數(shù)R0相等。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，熱敏電阻值與溫度呈指數(shù)關(guān)系，取對(duì)數(shù)后即為線性關(guān)系。即惠斯通電橋測量的電阻值與溫度數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)后呈線性關(guān)系，線性擬合后直線斜率即為熱敏材料常量Bn。熱敏材料常數(shù)Bn值可以反映熱敏電阻的溫度特性。

2.2? 基于仿真云平臺(tái)的熱敏電阻溫度特性研究

首先進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)，選擇熱學(xué)實(shí)驗(yàn)列表下的熱敏電阻溫度特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)界面如圖2所示，熱敏電阻測溫實(shí)驗(yàn)的裝置主要包括：自耦調(diào)壓器、熱敏電阻、溫度計(jì)和箱式直流電橋等。

2.2.1? 熱敏電阻的溫度特性

根據(jù)熱敏電阻的溫度特性的實(shí)驗(yàn)原理連接電路圖，如圖3所示。將實(shí)驗(yàn)所需的線路連接好，首先，調(diào)節(jié)箱式直流電橋。旋轉(zhuǎn)倍率開關(guān)，選擇合適的倍率，將倍率調(diào)整為1，從而使得熱敏電阻的電阻值與電阻箱的示數(shù)相同。為了便于電阻值的調(diào)節(jié)和測量，需要先調(diào)整電阻值為1 000 Ω，然后對(duì)箱式直流電橋的檢流計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。通過調(diào)整調(diào)零旋鈕，使檢流計(jì)的指針指向零刻度，此時(shí)檢流計(jì)的調(diào)零完畢。

然后，測量熱敏電阻的阻值。調(diào)整自耦調(diào)壓器，選擇合適的電壓值來對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行加熱。觀察溫度計(jì)的示數(shù)，同時(shí)調(diào)整箱式直流電橋。當(dāng)溫度計(jì)示數(shù)到達(dá)所要測量的溫度附近時(shí)，調(diào)整箱式直流電橋上的電阻值，使電橋穩(wěn)定地處于平衡狀態(tài)附近。如圖4所示，雙擊鼠標(biāo)左鍵后，會(huì)在圖中顯示箱式直流電橋的詳細(xì)情況，先用鼠標(biāo)右鍵按下B按鈕，打開電橋箱電源;再由高位到低位的順序依次調(diào)整箱式直流電橋的電阻值，直到按下箱式直流電橋的G按鈕，指針指向示數(shù)0且無偏轉(zhuǎn)，即為調(diào)整完畢，此時(shí)的電橋達(dá)到平衡，對(duì)應(yīng)的示數(shù)即為溫度t時(shí)，熱敏電阻的阻值Rt。

2.2.2? 計(jì)算熱敏電阻的材料常數(shù)

觀察溫度計(jì)的示數(shù)，分別在20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、

40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃、80 ℃和85 ℃時(shí)，調(diào)整箱式直流電橋電阻值使電橋不斷維持在平衡附近，并記錄下電橋平衡時(shí)，箱式直流電橋?qū)?yīng)的電阻值;然后，調(diào)整自耦調(diào)壓器電壓為0 V，觀察降溫時(shí)對(duì)應(yīng)溫度的箱式直流電橋平衡時(shí)的電阻值。將記錄升溫和降溫時(shí)兩次的電阻值進(jìn)行累加求和再平均，其平均值即為熱敏電阻值Rt。利用熱敏電阻值和絕對(duì)溫度的原理計(jì)算材料常數(shù)Bn。由圖5可知，熱敏電阻值隨溫度的增加而逐漸減小，且兩者呈e 指數(shù)型衰減關(guān)系，說明此材料為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）。兩者取對(duì)數(shù)后呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)99.9%，直線的斜率就是熱敏電阻的材料常數(shù)，數(shù)值約為11.42。

3? 結(jié)? 論

由熱敏電阻溫度特性原理制成的光電器件的廣泛應(yīng)用，使得熱敏電阻溫度特性研究在應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的前景。因此，深入研究熱敏電阻的溫度特性是十分有必要的。然而，由于儀器設(shè)備、時(shí)間空間等多方面因素的限制，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)會(huì)受到一定的影響。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)授課方式的一種補(bǔ)充，仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)是一種基于實(shí)驗(yàn)的云平臺(tái)，學(xué)生可以在線上重復(fù)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)而不受到實(shí)驗(yàn)儀器和空間場地的影響。采用仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)作為輔助教學(xué)的手段，可以有效地提高教學(xué)的質(zhì)量。

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作者簡介：史悅（1992—），女，漢族，四川成都人，助教，碩士，研究方向：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、大氣探測;孫培育（1991

—），男，漢族，四川成都人，講師，博士，研究方向：激光雷達(dá)大氣探測;梁振宇（1992—），男，漢族，四川成都人，助教，碩士，研究方向：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、有限元分析。