實(shí)驗(yàn)四動(dòng)態(tài)法測(cè)定良導(dǎo)體熱導(dǎo)率

1、實(shí)驗(yàn)四 動(dòng)態(tài)法測(cè)定良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率【實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】在測(cè)量熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)中，最普遍采用的方法是穩(wěn)態(tài)法，即在保持被測(cè)樣品各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化的情況下測(cè)量熱流，然后求出熱導(dǎo)率，這種方法實(shí)驗(yàn)條件要求嚴(yán)格不易測(cè)準(zhǔn)。而動(dòng)態(tài)法就將難于測(cè)準(zhǔn)的熱學(xué)量的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀诇y(cè)準(zhǔn)的長(zhǎng)度測(cè)量，從而顯著降低測(cè)量誤差。而且，由于學(xué)生對(duì)機(jī)械波、電磁波比較熟悉，而對(duì)熱波接觸甚少，故本實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生產(chǎn)生新鮮感，也拓寬了他們對(duì)波動(dòng)理論的認(rèn)識(shí)。另外，本實(shí)驗(yàn)用微機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的采集、記錄和繪圖，使學(xué)生更好地了解了微機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用過程?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 通過實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)一種測(cè)量熱導(dǎo)率的方法。2. 解動(dòng)態(tài)法的特點(diǎn)和優(yōu)越性。3. 認(rèn)識(shí)熱波

2、，加強(qiáng)對(duì)波動(dòng)理論的理解?！緦?shí)驗(yàn)儀器與用具】?jī)x器主機(jī)由用絕熱材料緊裹側(cè)表面的圓棒狀樣品（本實(shí)驗(yàn)取銅和鋁兩種樣品）、熱電偶列陣（傳感器）、實(shí)現(xiàn)邊界條件的脈動(dòng)熱源及冷卻裝置組成，見示意圖4-1。樣品中熱量將只沿軸向傳播，在任意一個(gè)垂直于棒軸的截面上各點(diǎn)的溫度是相同的，于是，只要測(cè)量軸線上各點(diǎn)溫度分布，就可確定整個(gè)棒體上的溫度分布。溫度的測(cè)量采用熱電偶列陣將熱電偶偶端均勻插在棒內(nèi)軸線處，兩個(gè)相鄰偶間距離均為2cm，為保持棒尾的溫度T0恒定，以防止整個(gè)棒溫起伏，用冷卻水冷卻。本實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)框圖見圖4-2，該儀器包括樣品單元，控制單元和記錄單元三大部分。本儀器由兩種工作方式：手動(dòng)和程控。他們都含樣品單元和

3、控制單元，不同的只是記錄單元。前者用高精度x-y記錄儀，后者用微機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的采集、記錄和繪圖，學(xué)生自行數(shù)據(jù)處理。圖4-1 主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖樣品選擇樣品組受控脈動(dòng)熱源水冷裝置傳感器陣列主控單元信號(hào)調(diào)理單元手動(dòng)、程控選擇單元A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)電源組X-Y記錄儀（可選）打印機(jī)（可選）手動(dòng)程控圖4-2 熱導(dǎo)率動(dòng)態(tài)測(cè)量以結(jié)構(gòu)框圖【實(shí)驗(yàn)原理】為使問題簡(jiǎn)化，令熱量沿一維傳播，故將樣品制成棒狀，周邊隔熱取一小段樣品如圖4-3根據(jù)熱傳導(dǎo)定律，單位時(shí)間內(nèi)流過某垂直于傳播方向上面積A的熱量，即熱流為 （4-1）圖4-3 棒元其中k為待測(cè)材料的熱導(dǎo)率，A為截面積，文中是溫度對(duì)坐標(biāo)x的梯度。將式（4-1）

4、兩邊對(duì)坐標(biāo)取微分有 （4-2）據(jù)能量守恒定律，任一時(shí)刻棒元的熱平衡方程為 （4-3）其中C，分別為材料的比熱容與密度，由此可得熱流方程 （4-4）其中，稱為熱擴(kuò)散系數(shù)。式（4-4）的解將把各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化表示出來，具體形式取決于邊界條件，若令熱端的溫度按簡(jiǎn)諧變化，即（4-5）另一端用冷水冷卻，保持恒定低溫T0，則式（4-5）的解也就是棒中各點(diǎn)的溫度為 （4-6）其中T0是直流成分，是線性成分的斜率，從式（4-6）中可以看出：a 熱端(x=0)處溫度按簡(jiǎn)諧方式變化時(shí)，這種變化將以衰減波的形式在棒內(nèi)向冷端傳播，稱為熱波。b 熱波波速： （4-7）c 熱波波長(zhǎng)： （4-8）因此在熱端溫度變化的

5、角頻率已知的情況下，只要測(cè)出波速或波長(zhǎng)就可以計(jì)算出 D。然后再由計(jì)算出材料的熱導(dǎo)率k。本實(shí)驗(yàn)采用式（4-7）可得 則（4-9）其中，f、T分別為熱端溫度按簡(jiǎn)諧變化的頻率和周期。實(shí)現(xiàn)上述測(cè)量的關(guān)鍵是：a 熱量在樣品中一維傳播，b 熱端溫度按簡(jiǎn)諧變化?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】測(cè)量銅棒和鋁棒的導(dǎo)熱率。（先測(cè)銅棒后測(cè)鋁棒） 實(shí)驗(yàn)前檢查各處連接管路是否有堵塞，而后才能打開水源。開始實(shí)驗(yàn)前需將儀器的蓋子打開，并仔細(xì)閱讀上面的注意事項(xiàng)。1 打開水源，從出水口觀察流量，要求水流穩(wěn)定（將閥門稍微打開即可）1) 熱端水流量較小時(shí)，待測(cè)材料內(nèi)溫度較高，水流較大時(shí)，溫度波動(dòng)較大。因此熱端水流要保持一個(gè)合適的流速，閥門開至1/3開

6、度即可。2） 冷端水流量要求不高，只要保持固定的室溫即可。3） 調(diào)節(jié)水流的方法是保持電腦操作軟件的數(shù)據(jù)顯示曲線幅度和形狀較好為好。4） 兩端冷卻水管在兩個(gè)樣品中是串連的，水流先走鋁后走銅。一般先測(cè)銅樣品，后測(cè)鋁樣品,以免冷卻水變熱。5） 實(shí)際上不用冷端冷卻水也能實(shí)驗(yàn)，只是需要很長(zhǎng)時(shí)間樣品溫度才能動(dòng)態(tài)平衡。而且環(huán)境溫度變化會(huì)影響測(cè)量。 2 打開電源開關(guān)，主機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)3 “程控”工作方式1) 完成前述實(shí)驗(yàn)步驟，調(diào)節(jié)好合適的水流量。因進(jìn)水電磁閥初始為關(guān)閉狀態(tài)，需要在測(cè)量開始后加熱器停止加熱的半周期內(nèi)才調(diào)整和觀察熱端流速。2) 打開操作軟件。操作軟件使用方法參見實(shí)驗(yàn)桌內(nèi)的“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”中“操作軟件使

7、用”部分說明。（注意：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后請(qǐng)勿將該資料帶回）3) 接通電源。4) 在控制軟件中設(shè)置熱源周期T（T一般為180s）。選擇銅樣品或鋁樣品進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量順序最好先銅后鋁。5) 設(shè)置x,y軸單位坐標(biāo)。x方向?yàn)闀r(shí)間，單位是秒，y方向是信號(hào)強(qiáng)度，單位為毫伏(與溫度對(duì)應(yīng))。6) 在“選擇測(cè)量點(diǎn)”欄中選擇一個(gè)或某幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)。7) 按下“操作”欄中“測(cè)量”按鈕，儀器開始測(cè)量工作，在電腦屏幕上畫出Tt曲線簇，如下圖所示。上述步驟進(jìn)行40分鐘后，系統(tǒng)進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡，樣品內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。此時(shí)按下“暫?！保蛇x擇打印出曲線，或在界面頂部“文件”菜單中選擇對(duì)應(yīng)的保存功能，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，供數(shù)據(jù)測(cè)量所用?！捌交?/p>

8、功能盡量不要按，防止信號(hào)失真。8）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按順序先關(guān)閉測(cè)量?jī)x器，然后關(guān)閉自來水，最后關(guān)閉電腦。這樣可以防止因加熱時(shí)無水冷卻導(dǎo)致儀器損壞?！緮?shù)據(jù)處理】圖4-4中，記錄的曲線表示溫度和時(shí)間的關(guān)系曲線T=f(t), 計(jì)算機(jī)將該數(shù)據(jù)保存好后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將鼠標(biāo)指向曲線上的任意位置便可給出該位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即時(shí)間和溫度。從測(cè)量曲線上我們可以很容易判別峰值位置，那么用鼠標(biāo)指向該點(diǎn)即可得該點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻tx，進(jìn)而得出兩個(gè)峰位時(shí)值t。進(jìn)而可得熱導(dǎo)率，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。圖4-4 各測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量曲線數(shù)據(jù)處理方法一：直接在電腦上讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（這種方式會(huì)由于人眼的視覺效果不同而產(chǎn)生相應(yīng)的誤差）本軟件提供了游標(biāo)

9、工具。移動(dòng)游標(biāo)可以得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的T-t曲線上的波峰時(shí)刻，將波分時(shí)刻記錄在表4-1中。已知相鄰熱電偶間距l(xiāng)0為2cm，則波速V= l0/(tn+1-tn)，n為測(cè)量點(diǎn)的位置坐標(biāo)。將計(jì)算得到的V代入公式（4-8）即可得到導(dǎo)熱系數(shù)值。表4-1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表測(cè)量點(diǎn)t1t2t3t4t5對(duì)應(yīng)峰值時(shí)間(秒)數(shù)據(jù)處理方法二：由于直接用鼠標(biāo)取值可能存在較大的人為操作誤差，因此要求同學(xué)將軟件所記錄的數(shù)據(jù)保存，然后拷貝出來，課后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得時(shí)間間隔以及相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)值。樣品比熱數(shù)據(jù)。銅：0.385J/gK；鋁：0.9J/gK；樣品密度數(shù)據(jù)。銅：8.92g/cm3；鋁：2.7g/cm3；【注意事項(xiàng)】1. 為防

10、止因加熱時(shí)無水冷卻導(dǎo)致儀器損壞，實(shí)驗(yàn)前要首先打開冷熱端進(jìn)水龍頭，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)要先關(guān)閉測(cè)量?jī)x器，然后關(guān)閉自來水，最后關(guān)閉電腦（詳細(xì)信息見“熱導(dǎo)率動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x使用說明書”）。2. 實(shí)驗(yàn)中盡量保持熱端水流穩(wěn)定，以免水流波動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)無法達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而影響測(cè)量結(jié)果。3. 測(cè)量過程中，無法更改樣品類型和熱源周期，暫停時(shí)候可以更改加熱周期。實(shí)驗(yàn)前選好熱源加熱周期，周期一般取180s。實(shí)驗(yàn)中盡量不要變動(dòng)熱源周期，以免破壞系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。4. 實(shí)驗(yàn)中一次測(cè)量中超過最大時(shí)間長(zhǎng)度9000s后，系統(tǒng)將自動(dòng)停止測(cè)量。如果需要繼續(xù)測(cè)量，請(qǐng)先保存當(dāng)前數(shù)據(jù)后在“新建”新的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行測(cè)量。5. 選擇工具欄“刷新”功能，將按照

11、當(dāng)前操作軟件設(shè)置刷新數(shù)據(jù)顯示。6. 按下“暫?！卑粹o后，加熱器暫停加熱，熱端開始進(jìn)水。暫停期間系統(tǒng)暫停測(cè)量數(shù)據(jù)。按下“測(cè)量”恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)前時(shí)刻與暫停前時(shí)刻之間數(shù)據(jù)顯示的一條直線表示暫停期間沒有數(shù)據(jù)測(cè)量。7. 按下“平滑”按鈕平滑數(shù)據(jù)時(shí)，將覆蓋當(dāng)前數(shù)據(jù)。如果要保留當(dāng)前數(shù)據(jù)，請(qǐng)?jiān)谄交斑M(jìn)行保存。8. 為了避免殘余高次諧波對(duì)測(cè)量的影響，在數(shù)據(jù)處理前最好先對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行濾波處理。按下“濾波”按鈕將對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果中只保留當(dāng)前顯示區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。如果需要保留其他數(shù)據(jù)，請(qǐng)?jiān)跒V波處理前保存。9. “濾波”處理時(shí)，要保證數(shù)據(jù)顯示區(qū)內(nèi)至少有2個(gè)完整周期的以上數(shù)據(jù)，否則將造成處理結(jié)果不理想。

12、10. 按下“計(jì)算”按鈕進(jìn)入“ 數(shù)據(jù)處理”窗口系統(tǒng)認(rèn)為本次測(cè)量結(jié)束，將自動(dòng)停止測(cè)量。如果需要繼續(xù)測(cè)量時(shí)，請(qǐng)關(guān)閉“數(shù)據(jù)處理”窗口后，重新建立一個(gè)數(shù)據(jù)文件，然后在開始測(cè)量。11. 按下“計(jì)算”按鈕進(jìn)入“ 數(shù)據(jù)處理”窗口時(shí)，系統(tǒng)把當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示區(qū)的加熱周期作為數(shù)據(jù)處理的加熱周期。為了避免計(jì)算錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)來源的顯示區(qū)內(nèi)加熱周期不要有變化?！舅伎碱}】1. 如果想知道某一時(shí)刻t時(shí)材料棒上的熱波，即Tx曲線，將如何做？2. 為什么較后面測(cè)量點(diǎn)的Tt曲線振幅越來越??？3. 為什么實(shí)驗(yàn)中鋁棒的測(cè)溫點(diǎn)才8個(gè)，而銅棒的測(cè)溫點(diǎn)達(dá)到12個(gè)？4. 實(shí)驗(yàn)中誤差的來源有哪些？附加實(shí)驗(yàn) 溫度的測(cè)量和溫度計(jì)的設(shè)計(jì)【實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】溫度是七

13、個(gè)基本物理量之一，幾乎所有的物理量都隨溫度變化，所有的生命現(xiàn)象，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，化學(xué)反應(yīng)都和溫度有關(guān)。不管是在工業(yè)生產(chǎn)，還是在科研實(shí)驗(yàn)中，對(duì)溫度的控制都是至關(guān)重要的，溫度對(duì)產(chǎn)品的影響也不容忽視的。溫度的區(qū)間很大，低至毫開，高至幾千攝氏度，使用環(huán)境，要求也不相同，因此溫度計(jì)的種類繁多，測(cè)試方法也各不相同。本實(shí)驗(yàn)的目的就是讓學(xué)生熟悉常用的熱電偶，金屬絲，半導(dǎo)體等科研生產(chǎn)過程中常用的溫度計(jì)，以及常用的溫度計(jì)的標(biāo)定、測(cè)量等方法。讓學(xué)生在實(shí)踐上對(duì)溫度的測(cè)量，有更深入的認(rèn)識(shí)和了解?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 用電位差計(jì)測(cè)熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)。2. 用平衡電橋測(cè)熱敏電阻和銅電阻的溫度特性曲線。3. 設(shè)計(jì)非平衡電橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)熱敏電

14、阻的實(shí)時(shí)測(cè)量。【實(shí)驗(yàn)儀器與用具】本實(shí)驗(yàn)采用DHT-2型熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行溫度計(jì)的控溫，里面裝有熱電偶溫度計(jì)，銅電阻溫度計(jì)，熱敏電阻溫度計(jì)，通過加熱絲升溫，通過風(fēng)扇降溫，可以用來測(cè)試不同類型溫度計(jì)的溫度特性曲線，確定溫度系數(shù)等。熱電偶的電壓通過UJ36a型攜帶式直流電位差計(jì)進(jìn)行測(cè)量。電阻型溫度計(jì)的電阻通過電橋進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中所用的DHQJ-5型教學(xué)用多功能電橋具有開放式電橋，雙臂電橋、單臂電橋、功率電橋及非平衡使用的單臂電橋等功能，可以用平衡電橋測(cè)溫度計(jì)的電阻，用非衡電橋?qū)囟扔?jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖4-5所示。中間是DHT-2型熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，下面是溫控儀，上面是加熱爐，溫度計(jì)裝在加熱爐中。

15、左邊是電橋，用來測(cè)溫度計(jì)的電阻值；右邊是電位差計(jì)，用來測(cè)熱電偶的電勢(shì)；保溫瓶中裝的是冰水混合物，用作熱電偶的低溫端。電橋加熱爐溫控儀電位差計(jì)保溫瓶圖4-5：溫度測(cè)量裝置實(shí)物圖1. DHT-2熱學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置溫控儀控溫儀前面板如圖4-6所示。圖4-6：溫控儀前面板溫控儀各接口定義如下：1、測(cè)量值：顯示器(綠) 2、設(shè)定值：顯示器(紅) 3、加數(shù)鍵()：在溫度設(shè)定時(shí)，作加數(shù)鍵。4、減數(shù)鍵()：在溫度設(shè)定時(shí)，作減數(shù)鍵。5、設(shè)定鍵(S)：設(shè)定值：按設(shè)定鍵(S)，SV顯示器一位數(shù)碼管閃爍，則該位進(jìn)入修改狀態(tài)，再按S鍵，閃爍位向左移一位，不按設(shè)定鍵(S)8秒(即數(shù)碼管閃爍8秒)自動(dòng)停止閃爍并返回至正常顯示設(shè)定

16、值。5-3、設(shè)定鍵(S)+加數(shù)鍵()：組合鍵設(shè)定PID參數(shù)。5-4、設(shè)定鍵(S)+減數(shù)鍵()：組合鍵設(shè)定PID參數(shù)。6-7、熱電偶輸出端子。 8-9、熱敏電阻輸出端子(NTC)10、加熱電流輸出插座 11、風(fēng)扇電壓輸出插座 12、加熱爐信號(hào)輸入插座 13、加熱電流調(diào)節(jié)電位器 14、加熱電流輸出控制開關(guān) 15、加熱電流顯示表。使用時(shí)依次將“信號(hào)輸入”、“風(fēng)扇電壓”、“加熱電流”依次與上面的加熱爐上面的接口相連，然后插好電源線，打開電源開關(guān)。按設(shè)定鍵（S）選擇溫度的位數(shù)，按上下鍵加減數(shù)值，不按設(shè)定鍵（S）8秒，自動(dòng)停止閃爍并返回至正常顯示設(shè)定值。設(shè)定好加熱溫度后，將面板上的加熱電流開關(guān)打開，加熱爐

17、座上的電風(fēng)扇的電源開關(guān)關(guān)斷。設(shè)定的溫度低于60時(shí)，加熱電流最好小于1A，設(shè)定的溫度高于100時(shí)，加熱電流最好調(diào)到最大。實(shí)驗(yàn)做完，或者需要降溫時(shí)，首先設(shè)置所需溫度，將加熱爐的支撐桿向上抬升，打開風(fēng)扇，待溫度降至室溫或者設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉風(fēng)扇，降下支撐桿。2、UJ36a型攜帶式直流電位差計(jì)UJ36a型攜帶式直流電位差計(jì)，可以在實(shí)驗(yàn)室、車間現(xiàn)場(chǎng)和野外工作，能很方便地以補(bǔ)償法原理，測(cè)量直流電壓(或電動(dòng)勢(shì))和對(duì)各種直流毫伏表及電子電位差計(jì)進(jìn)行刻度校正。儀器另一主要用途，是配合各種測(cè)量溫度的熱電偶，能快速而準(zhǔn)確地檢測(cè)溫度。補(bǔ)償法的電路圖如圖4-7所示。圖4-7：電位差計(jì)補(bǔ)償法電路圖E工作電源 EN標(biāo)準(zhǔn)電池的電

18、動(dòng)勢(shì)Ex被測(cè)電動(dòng)勢(shì)(或電壓) G 檢流計(jì)Rp工作電流調(diào)節(jié)電阻 R被測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電阻RN標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償電阻 K轉(zhuǎn)換開關(guān)將K扳向標(biāo)準(zhǔn)位置，調(diào)節(jié)Rp，使檢流計(jì)指零，這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)由電阻RN上的電壓降補(bǔ)償。ENI RN （4-10）式中：I是流過RN和R的電流，稱之為電位差計(jì)的工作電流由（4-10）式可得：IENRN （4-11）工作電流調(diào)節(jié)好以后，將K板向“未知”位置，同時(shí)移動(dòng)Q觸頭，再次使檢流計(jì)指零，此時(shí)觸頭Q在R上的讀數(shù)為RQ，這時(shí)被測(cè)量的電動(dòng)勢(shì)或電壓由電阻RQ上的電壓降補(bǔ)償。 ExIRQ (4-12) 將（4-11）帶入（4-12）得：EX=RQRNEN （4-13）UJ36a型

19、攜帶式直流電位差計(jì)的面板如圖4-8所示。（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）圖4-8：電位差計(jì)操作面板操作面板定義如下：、未知電壓測(cè)量接線柱 、倍率開關(guān) 、步進(jìn)盤(規(guī)盤)、電鍵開關(guān) 、檢流計(jì) 、檢流計(jì)調(diào)零、工作電流調(diào)節(jié)變阻器 、滑線盤在實(shí)際的調(diào)節(jié)過程中，RQ的調(diào)節(jié)用步進(jìn)盤進(jìn)行粗調(diào)，用滑線盤進(jìn)行細(xì)調(diào)，為了讀數(shù)方便，進(jìn)行換算后直接標(biāo)示電壓值，而不是電阻值。將待測(cè)電壓接入后，將倍率開關(guān)撥到“X1”或者“X0.2”，調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕將檢流計(jì)調(diào)零；將“電鍵開關(guān)”撥到“標(biāo)準(zhǔn)”，調(diào)節(jié)工作電流調(diào)節(jié)變阻器，使檢流計(jì)指零；將“電鍵開關(guān)”撥到“未知”，調(diào)節(jié)步進(jìn)讀數(shù)盤和滑線讀數(shù)盤使檢流計(jì)再次指零。未知電壓

20、讀數(shù)為：UX=（步進(jìn)盤讀數(shù)+滑線盤讀數(shù)）倍率3、DHQJ-5型教學(xué)用多功能電橋單臂電橋的電路原理圖如圖4-9所示。圖4-9：?jiǎn)伪垭姌蛟黼娐穲D平衡時(shí)檢流計(jì)中的電流和電壓均為0，待測(cè)電阻值為：（4-14）單臂電橋的技術(shù)參數(shù)和設(shè)定值如表4-2所示，本實(shí)驗(yàn)中平衡電橋所用的倍率為“1”檔，R1和R2的電阻值可以取1000歐，電壓取3V。表4-2：?jiǎn)伪垭姌蚣夹g(shù)參數(shù)和設(shè)定參考值量程倍率有效量程()R1 ()R2 ()工作電壓10-3111.11110000103V10-210111.111000010010-11001111.110000100011K11.111K100010001010K111.11K

21、100010000102100K1111.1K1001000012V1031M11.111M1010000電橋的面板如圖4-10所示。圖4-10：多功能電橋操作平衡電橋測(cè)量步驟如下： （1）標(biāo)準(zhǔn)電阻RN選擇開關(guān)選擇“單橋”檔； （2）工作方式開關(guān)選擇“單橋”檔； （3）電源選擇開關(guān)建議按表4-2有效量程選擇工作電源電壓； （4）G開關(guān)選擇“G內(nèi)接”； （5）根據(jù)RX值估計(jì)值，按表4-2選擇量程倍率，設(shè)置好R1、R2值和R3值，將未知電阻Rx接入Rx接線端子。 （注意Rx端子上方短接片應(yīng)接好） （6）打開儀器市電開關(guān)、面板指示燈亮； （7）建議選擇毫伏表作為儀器檢流計(jì)，釋放“接入”按鍵，量程置“

22、20mV”檔，調(diào)節(jié)“調(diào)零”電位器，將數(shù)顯表調(diào)零。調(diào)零后將量程轉(zhuǎn)入200mV量程，按下“接入”按鍵，也可以選擇微安表作檢流計(jì)。 （8）調(diào)節(jié)R3各盤電阻，粗平衡后，可以選擇200mV或20mV檔，細(xì)調(diào)R3位，使電橋平衡。由此可見，用平衡電橋測(cè)電阻時(shí)每步都需要調(diào)節(jié)R3使檢流計(jì)指零，適合測(cè)量溫度計(jì)穩(wěn)定后的電阻值，不能實(shí)時(shí)測(cè)量，動(dòng)態(tài)反應(yīng)溫度的變化。非平衡電橋是單臂電橋在非平衡狀態(tài)下的一種工程應(yīng)用，當(dāng)外界溫度、壓力等物理量發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的電阻性傳感應(yīng)器電阻值發(fā)生變化，電橋就從平衡狀態(tài)（預(yù)調(diào)平衡）變成不平衡狀態(tài)，檢流計(jì)測(cè)量的電壓變化表征電阻傳感器電阻值變化，從而間接測(cè)量出相應(yīng)物理變化。DHQJ-5在非平衡

23、使用時(shí)，其操作步驟基本同單臂電橋，但測(cè)量目的和測(cè)量方法有很大差異，在本實(shí)驗(yàn)中將使用非平衡電橋電壓的變化線性表示熱敏電阻溫度計(jì)溫度的變化?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、用電位差計(jì)測(cè)熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)熱電偶亦稱溫差電偶，是由A、B兩種不同材料的金屬絲的端點(diǎn)彼此緊密接觸而組成的。當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處于不同溫度時(shí)(如圖4-11)，在回路中就有直流電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，該電動(dòng)勢(shì)稱溫差電動(dòng)勢(shì)或熱電動(dòng)勢(shì)，測(cè)試電路如圖（4-13）所示。當(dāng)組成熱電偶的材料一定時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)Ex僅與兩接點(diǎn)處的溫度有關(guān)，并且兩接點(diǎn)的溫差在一定的溫度范圍內(nèi)有如下近似關(guān)系式： Ex ( t-t0 ) （4-15）式中稱為溫差電系數(shù)，對(duì)于不同金屬組成的熱電偶，是不同的

24、，其數(shù)值上等于兩接點(diǎn)溫度差為10C時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。 圖 4-11 圖 4-12為了測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)，就需要在圖4-11的回路中接入電位差計(jì)，但測(cè)量?jī)x器的引入不能影響熱電偶原來的性質(zhì)，例如不影響它在一定的溫差t-t0下應(yīng)有的電動(dòng)勢(shì)值。要做到這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證一定的條件。根據(jù)伏打定律，即在A、B兩種金屬之間插入第三種金屬C時(shí)，若它與A、B的兩連接點(diǎn)處于同一溫度t0(圖4-12)，則該閉合回路的溫差電動(dòng)勢(shì)與上述只有A、B兩種金屬組成回路時(shí)的數(shù)值完全相同。所以，我們把A、B兩根不同化學(xué)成份的金屬絲的一端焊在一起，構(gòu)成熱電偶的熱端(工作端)。將另兩端各與銅引線(即第三種金屬C)焊接，構(gòu)成兩個(gè)同溫度(t

25、0)的冷端(自由端)。銅引線與電位差計(jì)相連，這樣就組成一個(gè)熱電偶溫度計(jì)。通常將冷端置于冰水混合物中，保持t0 = 0 0C，將熱端置于待測(cè)溫度處，即可測(cè)得相應(yīng)的溫差電動(dòng)勢(shì)，再根據(jù)事先校正好的曲線或數(shù)據(jù)來求出溫度t。熱電偶溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是熱容量小，靈敏度高，反應(yīng)迅速，測(cè)溫范圍廣，還能直接把非電學(xué)量溫度轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。因此，在自動(dòng)測(cè)溫、自動(dòng)控溫等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。圖4-13 熱電偶溫度計(jì)測(cè)溫原理2、用平衡電橋測(cè)電阻的溫度特性曲線2.1 金屬電阻溫度計(jì)一般來說，金屬的電阻隨溫度的變化，可用下式描述： Rx=RX0（1+t+t2） （4-16）如銅電阻傳感器RX0=50 （t=0時(shí)的電阻值） =4.28

26、9 10-3 / =-2.13310-7 / （4-17）一般分析時(shí)，在溫度不是很高的情況下，忽略溫度二次項(xiàng)t2，可將金屬的電阻值隨溫度變化視為線性變化即 Rx=RX0（1+t）= RX0 +t RX0 （4-18）用控溫儀將銅電阻的溫度控制在一系列溫度值上，待溫度穩(wěn)定后，用平衡電橋測(cè)出銅電阻的阻值，畫出溫度-阻值曲線，就可以得出銅電阻的溫度特性曲線，進(jìn)行線性擬合可以求出溫度系數(shù)，這就是溫度計(jì)的標(biāo)定。進(jìn)行標(biāo)定后的銅電阻就可以當(dāng)作溫度計(jì)用于溫度測(cè)量。2.2 半導(dǎo)體熱敏溫度計(jì)半導(dǎo)體熱敏電阻（NTC）具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，電阻值隨溫度升高而迅速下降，這是因?yàn)闊崦綦娮栌梢恍┙饘傺趸锶鏔e3O4、Mg

27、Cr2O4等半導(dǎo)體制成，在這些半導(dǎo)體內(nèi)部，自由電子數(shù)目隨溫度的升高增加得很快，導(dǎo)電能力很快增強(qiáng)；雖然原子振動(dòng)也會(huì)加劇并阻礙電子的運(yùn)動(dòng)，但這種作用對(duì)導(dǎo)電性能的影響遠(yuǎn)小于電子被釋放而改變導(dǎo)電性能的作用，所以溫度上升會(huì)使電阻值迅速下降。通過改良，也可以設(shè)計(jì)出正溫度系數(shù)的熱敏電阻，簡(jiǎn)稱PTC。熱敏電阻的電阻溫度特性可以用下述指數(shù)函數(shù)來描述： （4-19）式中A是與材料性質(zhì)的電阻器幾何形狀有關(guān)的常數(shù)。B為與材料半導(dǎo)體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。為了求得準(zhǔn)確的A和B，可將式（4-19）兩邊取對(duì)數(shù) （4-20）選取不同的溫度T，得到不同的RT。根據(jù)（4-20）式，當(dāng)T=T1時(shí)有：lnRT1= lnA+B/

28、T1； （4-21）T=T2時(shí)有：lnRT2= lnA+B/T2 （4-22）將上兩式相減后得到 （4-23）將（4-23）代入（4-20）可得（4-24）常用半導(dǎo)體熱敏電阻的B值約為15005000K之間。用控溫儀將熱敏電阻溫度控制在一系列溫度點(diǎn)上，用平衡電橋測(cè)出對(duì)應(yīng)的電阻，根據(jù)式（4-20）進(jìn)行線性擬合，可以求出熱敏電阻的溫度系數(shù)A和B。只測(cè)兩個(gè)溫度點(diǎn)，可以通過式（4-23）和（4-24）求出A和B。金屬電阻和熱敏電阻特性曲線示意圖如圖4-14所示。圖4-14：熱敏電阻和金屬電阻特性曲線3、設(shè)計(jì)非平衡電橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)熱敏電阻的實(shí)時(shí)測(cè)量非平衡電橋的電路圖同平衡電橋一樣，如圖4-9所示，簡(jiǎn)化后如圖4

29、-15所示。測(cè)試步驟也是一樣的，只是選用電壓表測(cè)兩端電壓，認(rèn)為電壓表內(nèi)阻無窮大，忽略流過電壓表的電流。平衡時(shí)電橋電壓為0，非平衡時(shí)電橋電壓U0隨RX實(shí)時(shí)變化，通過計(jì)算選取合適的R1，R2，R3以及E，讓測(cè)試電壓U0隨溫度t線性變化，就可以對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量了。圖4-15：非平衡電橋電路圖認(rèn)為電壓表內(nèi)阻無窮大，忽略流過電壓表的電流，可以求得U0為： （4-25）式中： （4-26）A和B的值利用平衡電橋測(cè)兩個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻值，然后根據(jù)式（4-23）、（4-24）求得。將式（4-26）帶入式（4-25）就得到Uo和T的函數(shù)關(guān)系。然后對(duì)Uo進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，保留至二階項(xiàng)，忽略三階及以上的高次項(xiàng)，可以得到： （4-27）T1為測(cè)試區(qū)間的中間值，比如我們要監(jiān)測(cè)30-50的溫度區(qū)間，T1取40。令U0=0，可以得到： （4-28）于是，Uo可以表示成T的線性表達(dá)式。 （4-29） （4-30） 式中：=U01 ，m=U0，因?yàn)槭菧囟炔?，絕對(duì)溫度T可以換成攝氏溫度t。表示溫度區(qū)間中間值（比如上面的40）時(shí)，對(duì)應(yīng)的Uo值，我們可以令=-400mV。m表示靈敏度，可以令m=-10mV/。例如測(cè)得U0=-450 mV，對(duì)應(yīng)的溫度就是t=45。根據(jù)我們選定的和m值，兩個(gè)溫度點(diǎn)求得的