線性電阻與非線性電阻伏安特性實驗的Origin處理

李 凱,李玉珍

(運城學院機電公共實驗中心,山西運城 044000)

線性電阻與非線性電阻伏安特性實驗的Origin處理

李 凱,李玉珍

(運城學院機電公共實驗中心,山西運城 044000)

Origin軟件具有較好的數值處理功能,將Origin軟件應用于線性電阻與非線性電阻伏安特性實驗能準確快速地處理實驗數據。

Origin;線性電阻;非線性電阻;數據處理

0 引言

線性電阻與非線性電阻伏安特性實驗是大學物理及電工技術實驗中十分重要的基礎實驗之一,實驗原理和測量過程都比較簡單,但是,實驗數據的處理比較復雜。目前,主要采用作圖法、二乘法等進行數據處理,但是這些方法主觀性大,誤差較大,處理比較費時,本文采用Origin軟件。Origin軟件是著名的科技繪圖和數據處理軟件之一,利用Origin軟件處理實驗數據,具有簡單、快速與直觀等特點,避免了人為因素所造成的誤差。

1 實驗原理

二端電阻元件的伏安特性是指元件的端電壓與通過該元件電流之間的函數關系。通過一定的測量電路,用萬用表可測定電阻元件的伏安特性,由測得的伏安特性可了解該元件的性質。通過測量得到元件伏安特性的方法簡稱伏安法。電阻有線性電阻和非線性電阻兩種。線性電阻元件的伏安特性滿足歐姆定律。在關聯參考方向下,可表示為:u=Ri,其中R為常量,稱為電阻的阻值。其伏安特性曲線是一條過坐標原點的直線,具有雙向性。非線性電阻的阻值R不是一個常量,其伏安特性是一條過坐標原點的曲線。非線性電阻的種類很多,本文主要介紹二極管的伏安特性。

在被測電阻元件上施加不同極性和幅值的電壓,測量出流過該元件中的電流;或在被測電阻元件中通入不同方向和幅值的電流,測量該元件兩端的電壓,便得到被測電阻元件的伏安特性,本文采用前者。對于線性電阻正反向阻值相等,我們測正向即可,對于二極管反向電流基本趨于零,我們主要測正向伏安特性。

2 數據處理

2.1 原始數據記錄

表1 線性電阻元件R=198Ω的正向伏安特性測量數據

表2 二極管正向伏安特性測量數據

2.2 數據輸入及設置

啟動Origin,把測量數據I/mA和U/V分別鍵入Origin工作表Datal中的A、B列。分別雙擊各列標題欄,在彈出的“Worksheet Column Format”對話框內,設置列名,A、B列分別設置為 I/mA、U/V列,通過“Plot Designation”下拉菜單設置I/mA列為X軸,U/V列為Y軸。

2.3 繪制U-I曲線

利用Origin繪制線性電阻元件R=198Ω的U-I散點圖以及在U-I散點圖內繪制出擬合直線,具體操作見文獻[4],結果如圖1所示。同時,在右下角的“Results Log”窗口輸出擬合結果,見表3。

圖1 線性電阻元件正向U-I擬合直線

圖2 二極管正向U-I曲線

表3 線性電阻正向U-I曲線數據擬合參數

表4 二極管正向U-I曲線數據擬合參數

表3 中各估計值分別是:A為截距以及截距的標準差SA;B為斜率以及斜率的標準差SB;R為相關系數;P為相關系數等于零的置信概率;N為數據點數;SD為擬合變量U的標準差。由表3知,線性電阻的測量值為19613Ω。線性擬合結果的相關系數R=1,說明Origin擬合出來的結果與實際測量值吻合得非常好。

繪制二極管正向伏安特性的方法如下:選中 I/mA、U/V兩列,單擊菜單“Plot”,從彈出的下拉菜單中選擇“Line Symbol”,Origin將會在隨之打開的繪圖窗口 Graph1中繪制好U-I的曲線圖,由于是非線性伏安特性曲線,我們要求曲線的直線部分的斜率,起始的彎曲部分不考慮。這時要把彎曲部分的數據點屏蔽掉,取其直線部分的數據作直線擬合。這時候就需要Origin提供的屏蔽工具,打開Origin,在菜單T oolbars中可以看到許多選項,勾中Mask后就可以看到屏蔽工具條。打開屏蔽工具條,要注意的是,工具條的按鈕是狀態開關鍵,按第一次表示進入“mask”操作狀態,這是可以進行“mask”功能的操作,再按一次表示確認操作并退出。點擊按鈕,這時曲線兩個端點會出現一對相向豎直的箭頭,這表明此時mask的范圍是整條曲線,同時鼠標也變成了一個方框。改變范圍的方法是用方框套住箭頭,按下鼠標左鍵拖動到另一個數據點上,選定后,再點擊按鈕,這時可以看到被屏蔽的數據點改變顏色。之后就可以對剩下的直線部分進行線性擬合,如圖2所示。同時,在右下角的“ResultsLog”窗口輸出擬合結果,見表4。要取消屏蔽,則要點擊,連續點擊兩次,就可以取消屏蔽。屏蔽功能也可用在屏蔽壞點等的操作方法上。

表4中各估計值的意義與表3相同。由表4可知二極管導通后電阻為0176Ω,二極管導通后電阻極小。線性擬合結果的相關系數R=0198889,說明Origin擬合出來的結果與實際測量值吻合得非常好。

3 結束語

本文介紹了Origin軟件在線性電阻與非線性電阻伏安特性實驗中的應用,由上述分析可以看出,Origin對此實驗擬合的結果與實際測量值非常吻合。利用Origin進行數據處理,可以避免一系列人為造成的誤差,還可以使學生掌握利用計算機軟件進行實驗數據處理的技巧,拓展學生的思路,有助于學生綜合能力的培養和提高。

[1]唐文強,韋名德,楊端翠.大學物理實驗[M].北京:北京理工大學出版社,2007.

[2]李平.大學物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3]葉衛平,方安平,于本方.Origin 7.0科技繪圖及數據分析[M].北京:機械工業出版社,2004.

[4]李玉珍,呂寶華.Origin在熱敏電阻溫度特性實驗中的應用[J].長春師范學院學報,2008,27(5):19-21.

Origin Treatment about Experimental of Linear Resistor and Nonlinear Resistor Current-voltage characteristics

LI Kai,LI Yu-zhen
(Experimental Center of Mechanical and Electrical,Yuncheng University,Yuncheng,Shanxi,044000,China)

Origin software has a better numerical treating functions.The experimental data can be treated accurately and quickly,Origin software be used in the experiment of Linear resistance and nonlinear resistors current-voltage characteris2 tics.

Origin;linear resistor;nonlinear resistor;data treating

G6421423

A

1008-178X(2011)03-0063-03

2011-04-06

李 凱 (1981-),男,山西運城人,運城學院機電公共實驗中心助理實驗師,從事實驗室教學管理研究。