西安交通大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、西安交通大學(xué)大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：日期：實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)法測(cè)量一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)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，加強(qiáng)對(duì)撥動(dòng)理論的理解。二實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)采用熱波法測(cè)量銅、鋁等良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率。簡(jiǎn)化問(wèn)題，令熱量沿一維傳播，周邊隔熱,如圖1所示。根據(jù)熱傳導(dǎo)定律，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某垂直于傳播方向上面積A的熱量，即熱流為（1） 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,負(fù)號(hào)表示熱量流動(dòng)方向與溫度變化方向相反dt時(shí)間內(nèi)通過(guò)面積A流入的熱量 圖1 棒 元 若沒(méi)有其他熱量來(lái)源或損耗，據(jù)能量守恒定律，dt時(shí)間內(nèi)流入面積A的熱量等于溫度

2、升高需要的熱量，其中C，分別為材料的比熱容與密度。所以任一時(shí)刻棒元熱平衡方程為（2）由此可得熱流方程（3）其中，稱(chēng)為熱擴(kuò)散系數(shù)式（3）的解將把各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化表示出來(lái)，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）其中Tm是熱端最高溫度，w 為熱端溫度變化的角頻率。另一端用冷水冷卻，保持恒定低溫，則式（3）的解也就是棒中各點(diǎn)的溫度為（5）其中T0是直流成分，是線性成分的斜率，從式（5）中可以看出：1) 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(chēng)為熱波 2) 熱波波速： （6）3) 熱波波長(zhǎng)： （7）因此在熱端溫度變化的角頻率已知的情況下

3、，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（6）可得 則（8）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：1) 熱量在樣品中一維傳播2) 熱端溫度按簡(jiǎn)諧變化三實(shí)驗(yàn)儀器1. 儀器結(jié)構(gòu)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)程控實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2(a)，該儀器包括樣品單元，控制單元和記錄單元三大部分實(shí)際儀器由兩種工作方式：手動(dòng)和程控他們都含樣品單元和控制單元，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

4、、數(shù)據(jù)的采集、記錄和繪圖，學(xué)生自行數(shù)據(jù)處理 圖2(a) 熱導(dǎo)率動(dòng)態(tài)測(cè)量以結(jié)構(gòu)框圖儀器主機(jī)由用絕熱材料緊裹側(cè)表面的園棒狀樣品（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(jiàn)示意圖2(b)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，為保持棒尾的溫度恒定，以防止整個(gè)棒溫起伏，用冷卻水冷卻 圖2(b) 主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖圖2(C) 熱導(dǎo)率動(dòng)態(tài)儀實(shí)物圖 圖2(d) 控制面板2. 脈動(dòng)熱源及冷卻裝

5、置為實(shí)現(xiàn)熱溫度隨時(shí)間做簡(jiǎn)諧變化，在樣品棒的一端放上電熱器，使電熱器始終處于T/2開(kāi)、T/2關(guān)的交替加熱的狀態(tài)，于是電熱器便成了頻率為 T的脈動(dòng)熱源(圖3(a)。由于存在熱滯后，并不是加熱器一停止加熱，棒端溫度就立刻冷卻下來(lái)。為增加曲線變化幅度，由電腦控制“進(jìn)水電磁閥門(mén)”使得在加熱半周期時(shí)，熱端停止供水；停止加熱半周期時(shí)，熱端供水冷卻。為了保證冷卻處于一個(gè)穩(wěn)定的溫度T0，冷斷要一直保持供水。當(dāng)脈動(dòng)熱源加熱到一定時(shí)間后，棒的熱端就會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的幅度較大的溫度脈動(dòng)變化（圖3(b)）當(dāng)熱量向冷端傳播時(shí)，根據(jù)傅里葉分解，則棒端溫度為脈動(dòng)形式：（9）式(9)說(shuō)明T是由倍頻的多次諧波組成，當(dāng)這些諧波同時(shí)沿棒向

6、冷端傳播時(shí)，高次諧波迅速衰減，見(jiàn)圖3(c)，約至67厘米后就只?；?，其波形為EEEttt (a) (b) (c)圖3 簡(jiǎn)諧熱端溫度的形成（10）若取此處x=0，它就是邊界條件式(4)溫差電偶列陣中各點(diǎn)均為由熱端傳來(lái)的與式（10）一樣的熱波實(shí)驗(yàn)中還需提供一個(gè)周期與基波相同的方波做計(jì)算位相差的參考方波，用它參考求出波速V，已知周期T，可用式（8）計(jì)算K值3 控制單元及作用 控制單元包括主控單元和相關(guān)幾個(gè)單元，作用是：1） 對(duì)來(lái)自熱電耦的待測(cè)溫度信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。2） 提供“手動(dòng)”和“程控”兩種工作方式。仿真軟件采用程控模式，操作軟件控制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。3） 提供周期為60，120，180，240秒的參考

7、方波。4） 控制加熱器半周期開(kāi)，半周期關(guān)的周期性供電。5） 控制進(jìn)水電磁閥門(mén)半周期熱端停水，停止加熱的半周期進(jìn)水。4. 數(shù)據(jù)記錄 “程控”方式下數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到電腦進(jìn)行記錄和處理，處理過(guò)程參見(jiàn)“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”中的“操作軟件使用”。四 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)量銅棒和鋁棒的導(dǎo)熱率。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖1 打開(kāi)水源，從出水口觀察流量，要求水流穩(wěn)定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，大約200ml/分。仿真軟件對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中表示流速的箭頭 保持一個(gè)合適的大?。ù笮∪纭啊奔纯桑?） 冷端水流量要求不高，只要保持固定的室溫即可。一般取200ml/分，仿真軟件對(duì)應(yīng)實(shí)

8、驗(yàn)場(chǎng)景中表示流速的箭頭保持對(duì)應(yīng)的大小。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。 水流調(diào)節(jié)在仿真軟件中是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中鼠標(biāo)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)水龍頭完成的。2 打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，主機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中通過(guò)鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇儀器電源開(kāi)關(guān)。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(kāi)始后加熱器停止加熱的半周期內(nèi)才

9、調(diào)整和觀察熱端流速。2) 打開(kāi)操作軟件。 操作軟件使用方法參見(jiàn)“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”中“操作軟件使用”部分說(shuō)明。3) 接通電源。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇“打開(kāi)電源”接通測(cè)量?jī)x器電源。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。6) 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))。7) 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)。8) 按下“操作”欄中“測(cè)量”按鈕，儀器開(kāi)始測(cè)量工作，在電腦屏幕上畫(huà)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“暫停

10、”，可選擇打印出曲線，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(lái)，供數(shù)據(jù)測(cè)量所用?！捌交惫δ鼙M量不要按，防止信號(hào)失真。9) 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(lái)水，最后關(guān)閉電腦。這樣可以防止因加熱時(shí)無(wú)水冷卻導(dǎo)致儀器損壞。銅的熱導(dǎo)率測(cè)量：鋁的熱導(dǎo)率測(cè)量：4. 數(shù)據(jù)處理測(cè)量數(shù)據(jù)額Tt曲線簇計(jì)算機(jī)將該數(shù)據(jù)保存好后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。從得到的Tt曲線簇中選取數(shù)條曲線進(jìn)行處理，一般銅取6條，鋁取5條。對(duì)取出的曲線測(cè)出其峰值。上圖中一共取了7條曲線，對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)位置分別為l1=0cm, l2=2cm, l3=4cm,l7=12cm，每條曲線對(duì)應(yīng)峰值的時(shí)間分別為t1,t2, t

11、7。相鄰曲線峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間差和距離差分別為Dt和Dl。曲線1和6對(duì)應(yīng)的時(shí)間差為t6-t1=5Dt,距離差為l6 l1= 5Dl。則熱波波速：。根據(jù)式（8）即可得到樣品的熱導(dǎo)率,單位是w/(m*K)。 1. 計(jì)算銅的熱導(dǎo)率： 2. 計(jì)算鋁的熱導(dǎo)率：五注意事項(xiàng)1  仿真軟件操作提示：在界面上單擊鼠標(biāo)右鍵或選擇“實(shí)驗(yàn)幫助”，選擇彈出菜單的“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”、“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。鼠標(biāo)在界面移動(dòng)時(shí)，相應(yīng)物體位置會(huì)出現(xiàn)提示信息。2   為防止因加熱時(shí)無(wú)水冷卻導(dǎo)致儀器損壞，實(shí)驗(yàn)前要首先打開(kāi)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(lái)水，最后關(guān)閉電腦。3&#

12、160;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(wú)法達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而影響測(cè)量結(jié)果。4  測(cè)量過(guò)程中，無(wú)法更改樣品類(lèi)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。5 實(shí)驗(yàn)中一次測(cè)量中超過(guò)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。6  選擇工具欄“刷新”功能，將按照當(dāng)前操作軟件設(shè)置刷新數(shù)據(jù)顯示。7  按下“暫?！卑粹o后，加熱器暫停加熱，熱端開(kāi)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)，

13、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(méi)有數(shù)據(jù)測(cè)量。8   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。9   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。10“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。11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(kāi)始測(cè)量。12按下“計(jì)算”按鈕進(jìn)入“