光電毫伏級待測電動勢實驗儀的設計及其穩定性的研究

李廣英等

【摘要】為了滿足電位差計實驗對毫伏級待測電動勢的需求，設計了光電毫伏級待測電動勢實驗儀，并對其穩定性進行了研究。待測電動勢實驗儀是通過光電轉換來實現的，輸出的毫伏級電動勢在低檔位比較穩定，基本能夠滿足箱式電位差計測量范圍和精度要求，實驗效果良好。

【關鍵詞】待測電動勢 電位差計 毫伏級 光電轉換

【基金項目】國家大學生創新性實驗計劃資助項目（201310225030）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）01-0230-01

1.引言

電位差計實驗是大學物理實驗中最基本的實驗項目之一，是用來精確測量電池電動勢或電位差的專門儀器。實驗所需要的待測電動勢要求為毫伏級，靈敏度高，大小可調節，能夠可重復性測量等特點[1，2]。當前大多數高校做電位差計實驗時，采用的待測電動勢是通過改變熱電偶兩端的溫度來實現的，方法是用酒精燈或者電加熱水杯進而對熱電偶進行加熱，改變熱電偶的溫度，從而改變待測電動勢大小[3，4]。這種方法實驗時間長，控制起來不靈敏，危險性較大，而且產生的電動勢不能在長時間內穩定，電動勢的大小會發生漂移[5]，實驗的重復性不好等一系列問題。為了滿足箱式電位差計對毫伏級別待測電動勢實驗需求，設計了光電毫伏級待測電動勢實驗儀，并對其穩定性進行了研究。

2.光電毫伏級待測電動勢實驗儀的設計

光電毫伏級待測電動勢實驗儀原理圖如圖1所示，它包括交流穩壓電源、白熾燈、光電二極管PD和電位器RP，A和B為產生毫伏級電動勢的輸出端，其中交流電源為220V，小燈泡為15W；電路中交流穩壓電源為與白熾燈串聯，白熾燈發出的光入射至光電二極管PD的光敏面，光電二極管PD的正極和負極分別連接電位器RP的一個固定端，電位器RP的滑動端A和一個固定端B之間輸出毫伏級電動勢，輸出電動勢的大小可通過電位器調節，其中，連續穩定的電動勢0-170mv能夠滿足電位差計實驗對待測電動勢具體實驗要求。

圖1 毫伏級可控電位差計實驗儀原理圖

3.待測電動勢實驗儀穩定性的研究

3.1 待測電動勢實驗儀穩定性研究的實驗設計

根據測量儀器穩定性的需要，在電位差計測量范圍0-170mv內，調節電位器改變輸出電動勢的大小，共設置6個組別，分別為U1、U2、 U3、U5、 U6。其中，U1為 5mv左右，U2為20mv左右，U3為40mv左右，U4為80mv左右，U5為120mv左右，U6為160mv左右，共6個組別，分別測試每組在0分鐘，5分鐘，10分鐘，30分鐘，60分鐘，120分鐘的電動勢的大小，不同時間節點讀數三次，并求出三次測量的平均值，分析不同組別輸出毫伏級電動勢的穩定性。

3.2 待測電動勢實驗儀穩定性研究的實驗結果

輸出電動勢平均值隨時間變化規律如圖2所示，U1、 U2 和U3的三個組別輸出電動勢平均值的大小幾乎不隨時間改變，輸出電動勢比較穩定；輸出電動勢為80mv左右的U4組平均電動勢隨時間變化曲線有一定的波動，輸出電動勢為 120mv左右的和160mv左右的U5和U6 兩個組別平均電動勢隨時間變化較大。輸出電動勢較小U1、 U2 和U3 三個組別的三次讀數的差異略小，輸出電動勢較大的U4、U5和U6 三個組別三次讀數的差異較大，實際實驗中也反映了這個情況，電動勢較小U1和U2 兩個組別的電流表指針擺動幅度很小，電動勢較大的U4、U5和U6 三個組別電流表指針擺動幅度較大。

圖2輸出電動勢平均值隨時間變化規律

4.結論與展望

設計的待測電動勢實驗儀是通過光電轉換產生的毫伏級電動勢，電動勢大小可通過電位器調節，輸出的電動勢動勢在低檔位比較穩定，基本能夠滿足箱式電位差計測量范圍和精度要求，解決了以前的待測電動勢用酒精燈加熱熱電偶的方法所帶來的實驗時間長，控制起來不靈敏，危險性較大，學生無法正常完成實驗等諸多問題。但是，小燈泡的光源本身會出現相對較重的頻閃現象，導致光電二極管產生的電動勢波動，電流表指針擺動，在測量數據的時候難免會對讀數造成干擾，但這些缺點不會影響儀器的使用，反而使學生進一步認識光電轉換原理，增強學生學習大學物理興趣和積極性，提高學生實驗效率[6，7]。光電毫伏級可控電動勢實驗儀使用方便，制作簡單，成本低廉，能提高學生的實驗效率和教師設計實驗的選擇性，使物理實驗教學更具有實效性和可操作性，可滿足理工科院校電位差計實驗的需要[8]。

參考文獻：

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[4]熊艷玲， 張宏琴， 呂月蘭.直流電位差計測量熱電偶電動勢的不確定度分析[J].大學物理實驗，1999，12（1）：56-60

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