熱敏電阻接入惠斯頓電橋的裝置改進(jìn)

呂群松，吳興達(dá)

(廣東醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

《用電橋測(cè)熱敏電阻的溫度特性》實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)經(jīng)典的驗(yàn)證性物理實(shí)驗(yàn)[1-3]。在大多數(shù)物理專業(yè)和有基礎(chǔ)物理教學(xué)課程的院校都有開設(shè)，包括醫(yī)科類院校[4]。作者對(duì)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目做了大量的研究總結(jié)，先是針對(duì)板式惠斯頓電橋進(jìn)行研究改進(jìn)，接著是對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行總結(jié)和提出解決辦法，這次是要研究改進(jìn)熱敏電阻接入惠斯頓電橋的裝置[5-7]。該裝置的研究改進(jìn)必須解決以下三個(gè)問題：一是改進(jìn)的方向和改進(jìn)的必要性；二是改進(jìn)的辦法；三是實(shí)際實(shí)驗(yàn)使用證明其優(yōu)越性。

1 改進(jìn)的方向和改進(jìn)的必要性

《用電橋測(cè)熱敏電阻的溫度特性》實(shí)驗(yàn)要求測(cè)定不同溫度下熱敏電阻的阻值，然后畫出熱敏電阻的溫度特性曲線，最后算出熱敏電阻的材料常數(shù)。根據(jù)本校使用的教材，學(xué)生使用的是自然降溫法，即把熱敏電阻泡入一個(gè)小燒杯的熱水中，改變熱敏電阻的溫度環(huán)境，隨著熱水的自然降溫來測(cè)量其不同溫度下的阻值。實(shí)驗(yàn)操作難點(diǎn)是：在不同溫度的瞬間，怎樣調(diào)節(jié)使電橋平衡，以便獲得正確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。因?yàn)獒t(yī)學(xué)類學(xué)生以后要采集分析的信號(hào)是人體信號(hào)，是隨時(shí)間變化而變化著的信號(hào)，所以很有必要讓學(xué)生提前接觸并理解這類數(shù)據(jù)的采集。故這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的培養(yǎng)目標(biāo)之一就是：要求學(xué)生在水的自然降溫狀態(tài)下，調(diào)節(jié)電橋使其平衡再記錄下電橋平衡瞬間的溫度值和電阻值。這是一個(gè)演練，是一個(gè)很好的簡(jiǎn)化模型，有利于學(xué)生理解瞬時(shí)數(shù)據(jù)的概念和采集瞬時(shí)數(shù)據(jù)的方式，是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可缺少的一環(huán)。

現(xiàn)在的科技進(jìn)步日新月異，可調(diào)節(jié)溫度的恒溫系統(tǒng)并不少見。使用上恒溫系統(tǒng)后，雖然實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)精確度非常高，但是學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作不過是常溫狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)操作的簡(jiǎn)單重復(fù)罷了，對(duì)學(xué)生的操作技能訓(xùn)練用處不大。所以大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中，對(duì)這一實(shí)驗(yàn)使用的都是自然降溫法，實(shí)驗(yàn)儀器提示里并沒有保溫杯或保溫系統(tǒng)，就只有一個(gè) 50 mL 的小燒杯。

如圖1 熱敏電阻接入裝置照片所示，這是原來實(shí)驗(yàn)使用的方式，該裝置包括：一個(gè)鐵架臺(tái)、一個(gè)鐵夾、一支通過線懸掛著的溫度計(jì)、一個(gè)小燒杯(50 mL的)，一塊小的長(zhǎng)方形電路板(4 cm×6 cm)，電路板裝著兩個(gè)香蕉插座，香蕉插座底下焊接了熱敏電阻，可通過帶香蕉插頭或帶夾子的導(dǎo)線接入電路。兩個(gè)香蕉插座中間位置開有一個(gè)小孔，可以通過溫度計(jì)來測(cè)量小燒杯內(nèi)的水溫，等同于熱敏電阻的溫度。

這裝置在實(shí)驗(yàn)使用中的缺點(diǎn)是：①部件多，鐵架臺(tái)又高又大，占地方；②溫度計(jì)通過線懸掛著，容易擺動(dòng)，不穩(wěn)定；③小電路板太小太輕，接入導(dǎo)線之后稍有碰撞就會(huì)掉落，甚至拉翻小燒杯使水漫臺(tái)面或小燒杯摔爛。④熱敏電阻的接線腳經(jīng)常會(huì)斷開，或者絕緣漆會(huì)開裂而需要更換。

圖1 熱敏電阻接入裝置照片

為了精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、降低學(xué)生實(shí)驗(yàn)損耗，必須改進(jìn)熱敏電阻接入惠斯頓電橋的裝置，讓它能保護(hù)好裝熱水的小燒杯，保證學(xué)生不容易被燙到的同時(shí)能穩(wěn)定的記錄實(shí)驗(yàn)溫度值。

2 改進(jìn)的方法

如圖2所示，新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的主體部分是一個(gè)前后通透的帶蓋的透明有機(jī)玻璃盒子。蓋子上開三個(gè)孔，兩側(cè)的孔裝入多用接線柱(可接入不同接頭的單支導(dǎo)線)，中間的孔插入溫度計(jì)。同時(shí)接線柱底下焊接上1 mm粗的漆包線，漆包線的另一端再分別焊接上一只熱敏電阻的兩根接線腳，漆包線的長(zhǎng)度約有十幾厘米，具體要參考盒體空間的大小、焊接完成后熱敏電阻的位置和溫度計(jì)的刻度來定。最終的標(biāo)準(zhǔn)是：新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置整體放好時(shí)，溫度計(jì)20 ℃刻度的位置在盒蓋的上方，熱敏電阻接近溫度計(jì)的測(cè)溫泡，同時(shí)位于小燒杯正中位置，使熱敏電阻和溫度計(jì)的測(cè)溫泡置于小燒杯里的水完全淹沒浸泡又不接觸小燒杯的底部(在溫度計(jì)20 ℃刻度的位置，用細(xì)的透明膠布纏上十幾圈，讓溫度計(jì)卡在小孔上，懸空掛著，不掉進(jìn)小燒杯底部)。然后給焊點(diǎn)和熱敏電阻的接線腳噴上絕緣漆。最后，等絕緣漆干透后用細(xì)的單支硬導(dǎo)線絞合漆包線固定盒蓋中間小孔插下的溫度計(jì)。

圖2 新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置照片

3 新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的優(yōu)越性

經(jīng)過學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用證明，新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①不占地方，單獨(dú)就一個(gè)盒子的位置；②主體方正，連接導(dǎo)線的盒蓋較大，不容易被導(dǎo)線拉扯而倒下；③溫度計(jì)的測(cè)溫泡貼近熱敏電阻且被固定，容易讀取溫度值；④盒子前后通透可以加快熱水的自然降溫，不影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的速度；⑤耐用，不容易損壞。因?yàn)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)操作使用新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置時(shí)，盒蓋連同熱敏電阻和溫度計(jì)只需要抬起蓋子放好裝水的小燒杯，再蓋回去就行，沒有壓到熱敏電阻，沒有碰到溫度計(jì)的測(cè)溫泡，不會(huì)損壞。同時(shí)，方方正正的盒子主體不容易倒下，更不會(huì)損壞放在它中間的小燒杯。

4 新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的制作[8]

(1)按表1新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置各組件裁取的參考數(shù)據(jù)中各名稱編號(hào)所對(duì)應(yīng)的規(guī)格尺寸準(zhǔn)備材料(本實(shí)驗(yàn)室使用的是4 mm厚的有機(jī)玻璃板)。

(2)取表1所示的①②③按虛線位置粘合成主體⑥；?、堍菡澈铣珊猩w⑦(本實(shí)驗(yàn)室使用的黏合劑是氯仿)。圖3是新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的分解圖。

表1 新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置各組件裁取的參考數(shù)據(jù)

圖3 新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的分解圖

(3)在上蓋板上的a孔、c孔裝入多用接線柱，接線柱的底下裝上一片銅焊接片。

(4)取1mm粗的漆包線13cm兩段，依照最終的標(biāo)準(zhǔn)，按新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的主體大小和本實(shí)驗(yàn)(室所用的溫度計(jì)以及焊接方式調(diào)節(jié)知道)，刮去兩端的絕緣漆，分別焊接到熱敏電阻的兩端，漆包線的另一端分別焊接到兩接線柱的焊接片上。焊接后對(duì)焊點(diǎn)和熱敏電阻的接線腳做絕緣處理(噴上絕緣漆)。

(5)絕緣漆干透后取一支玻璃溫度計(jì)(0～100 ℃)，在20 ℃刻度以下的位置用1cm寬的透明膠帶纏上幾圈，使溫度計(jì)插入盒蓋b孔時(shí)在這里被卡住，同時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)溫度計(jì)的測(cè)溫泡的位置比較靠近熱敏電阻，調(diào)節(jié)一下讓它們貼近，然后用硬的單支導(dǎo)線絞合固定溫度計(jì)和兩支粗漆包線(如圖2)。新熱敏電阻接入裝置整體放好時(shí)，溫度計(jì)20 ℃刻度的位置在盒蓋的上方，熱敏電阻貼近溫度計(jì)的測(cè)溫泡，同時(shí)位于小燒杯正中位置。

5 結(jié) 語

按4的步驟和尺寸制作出的熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置不大不小恰好合適?！安淮蟆敝覆徽嫉胤?，使用時(shí)容易放得下；“不小”指使用中不小心碰到時(shí)，它不會(huì)傾倒，放在里面的小燒杯也不會(huì)倒。假如不要底板的話，盒子不穩(wěn)固，當(dāng)盒子移動(dòng)時(shí)小燒杯不動(dòng)，會(huì)碰到小燒杯，不可取。新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置經(jīng)過使用驗(yàn)證，它的使用效果良好，既不改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，能培養(yǎng)學(xué)生采集瞬時(shí)數(shù)據(jù)的能力，也提高了實(shí)驗(yàn)員實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作的效率，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。