计算机数据采集在大学物理实验中的应用.pdf

收稿日期 2007 01 29 修回日期 2007 06 20 作者简介 王瑗 1963 女 江苏常州人 上海交通大学物理系高级工程师 硕士 主要从事物理实验的教学研究与仪器开发工作 物理实验 计算机数据采集在大学物理实验中的应用 王 瑗1 余建波1 赵铁松2 1 上海交通大学 物理系 上海 200240 2 中国人民大学 物理系 北京 100872 摘要 以温度传感器 太阳能电池 发光二极管等器件的特性测量实验为例 介绍了计算机数据采集与处理技术在大学物 理实验教学中的具体应用 关键词 计算机数据采集 物理实验 温度传感器 太阳能电池 发光二极管 中图分类号 O 4 3 文献标识码 A 文章编号 1000 0712 2007 11 0043 04 目前 国内许多高校都在大学物理实验中引进 了如美国 PASCO 德国PHYWE 公司的物理实验系 统或国产的光学多通道光谱分析器 光栅衍射计算 机测量仪等 其中所用计算机的硬件接口及控制软 件等都有很强的实验针对性 如果想利用它们做一 些其他的物理实验研究就不够方便 灵活 我们设 计了采用通用的计算机数据采集仪 对传统的手动 测量的一些大学物理实验进行了改进 研究 取得了 很好的教学效果 本文以我们设计的计算机数据采集在温度传感 器 太阳能电池 发光二极管等器件的特性测量实验 中的应用为例 详细介绍了这些实验的原理 装置设 计 电路设计 数据采集及分析的全过程 1 计算机数据采集 在实验中我们采用的是北京大学创新技术公 司生产的 PU 型微机 XY 记录仪 它由计算机 AD1214模入接口卡 12 位数据采集 和 PU XY 3 0数据采集分析软件三部分构成 是一个集计算 机 数据采集 记录 分析和结果显示为一体的的多 功能智能仪器 其中适用于 ISA 总线的 AD1214 模 入接口卡采用了高性能的仪用放大器 有极高的输 入阻抗和共模抑制比 并具有最高达 1 000 倍程控 放大增益 A D 采集卡设置为 双端输入 双极性 量程 5 V 作 XY 记录仪使用时 该仪器同时采集 的两个通道分别设为 X 通道和 Y 通道 物理实验中的待测信号多种多样 如 电压 电 流 电阻 温度等 但计算机数据采集的是电压量 因 此 要根据每个实验的具体内容 设计出适合计算机 进行数据采集的待测量 电压量的转换电路 我们所用的微机 XY 记录仪的记录数据是以 mV 为单位的 在进行数据采集前要根据 1 mV 电 压信号对应的待测信号的大小在软件中设置好正确 的 转换系数 在硬件线路 电压校准 采样率 采样时间等一 切条件均设置好后 即可开始数据采集 软件会将 每一次采集到的数据作一个数据包 独立地进行数 据显示 分析 处理 2 实验实例 2 1 温度传感器特性研究 本实验是测量集成温度传感器 AD590 和 PN 结温度传感器在室温 100 之间其输出电流随温 度变化和输出电压随温度变化的特性 实验中 对温 度的测量 采用簿膜 型铂电阻 Pt100 Pt100具有很好的物理 化学稳定性和很高 的测量精度 铂电阻的阻值随温度变化而改变 在 0 630 74 温度范围内 其阻值与温度间关系为 RT R01 AT BT 2 1 式中 R0和 RT分别为 Pt100 在 0 和温度 T 时的 电阻值 R0 100 A B 为温度系数 由铂电阻 Pt100 的分度表 1 经多项式拟合可得 0 200 温 度范围内其阻值与温度的关系如下 T 244 932 2 343RT 0 001RT2 2 由式 2 可看出 在 0 100 温度范围内 铂电阻 第 26 卷第 11期大 学 物 理Vol 26 No 11 2007 年 11 月COLLEGE PHYSICSNov 2007 Pt100 阻值与温度间近乎是线性关系 测温电路如图 1 所示 采用四线制接法 并从铂 电阻的根部引出导线 用恒流源在铂电阻 RT上通 以I 1 mA 的工作电流 XY 记录仪的 X通道在 RT 两端采样电压为 UX 由于 UX值很小 因此将 A D 采集卡 X通道增益设为 10 因 RT UX I 设 X 通 道单位 转换系数 为 0 1 即可使屏幕上横坐标的 显示值为电阻 RT 实验数据输出后 可由式 1 计 算出被测环境温度 图 1 铂电阻测温电路 2 1 1 AD590 输出电流 温度特性 集成温度传感器AD590 是一种将温敏晶体管及 其辅助电路集成在同一块芯片上的精密集成化温度传 感器 2 当工作电压为 5 30 V 测温范围在 55 150 之内时 它等效于一个高阻抗恒流源 输出 电流与热力学温度成正比 是理想的线性输出 对应于 热力学温度 T 每变化 1 K 就输出 1 A 的电流 实验 中测量电路如图 2 所示 XY 记录仪的 Y 通道在阻值 为1 k 的标准电阻 RY上采样电压为 UY 由于 UY值 很小 因此将 AD 采集卡 Y 通道增益设为 10 因 I UY RY 设Y 通道 转换系数 为 0 1 即可使屏幕上纵 坐标显示值为电流强度 I 单位为 A 图 2 AD590电流 温度特性测量电路 实验时将测温铂电阻和 AD590 置于相同的温 度环境中 并将温度在1 h 内从室温慢慢升高到100 左右 XY 记录仪采样时间为 3 600 s 采样率为 1 次 s 采集结果如图 3 所示 将采集的数据输出 由式 1 计算出 X 通道采集 量所对应的温度值 得出 AD590 输出电流随温度变 化特性曲线 如图4 所示 通过最小二乘法线性拟合 得到 I 273 81 1 043 T 相关系数为0 999 9 可以看 出AD590 的输出电流与温度间具有良好的线性关系 图 3 AD590 电流 电阻 温度 特性数据采集曲线 图 4 AD590 电流 温度特性数据处理曲线 2 1 2 PN 结温度传感器输出电压 温度特性 在一定的电流模式下 PN 结的正向电压与温度 之间表现出良好的线性关系 我们以温敏晶体管 3DG6为例 测量它在集电极电流 Ic恒定的条件下的 输出电压 温度特性 实验中将铂电阻和3DG6同置 于室温 100 范围之内 测量电路如图 1 和图 5 所示 对 3DG6 通以100 A 的集电极电流 XY 记录仪 的 Y通道在 3DG6 上采样电压为 UY 单位 转换系数 为 0 01 采样率1次 s 采样时间3 600 s 横 纵坐标显 示量分别为电阻和电压 采集的结果如图 6所示 图 5 3DG6 电压 温度特性测量电路 将采集的数据输出 由式 1 计算出 X通道采集量 所对应的温度值 得出PN 结温度传感器 3DG6的输出 电压随温度变化特性曲线 如图7所示 通过最小二乘 法线性拟合得到 U 740 74 1 983T 相关系数为 0 999 97 多项式拟合得到 U 741 86 2 02T 2 99T2 相关系数为 0 999 95 由此可以看出 3DG6 的 44 大 学 物 理 第 26 卷 输出电压与温度间具有良好的线性关系 图 6 3DG6 电压 电阻 温度 特性数据采集曲线 图 7 3DG6电压 电阻温度特性数据处理曲线 2 2 太阳能电池伏安特性测量 太阳能电池也称为光伏电池 是一种将太阳光 辐射能直接转换为电能的器件 我们实验中使用的 是由太阳能电池组件组合成的具有一定输出功率的 太阳能电池方阵板 并采用 300 W 功率的卤钨灯为 辐射光源替代太阳光照射太阳能电池方阵 注 卤 钨灯的光谱成分与太阳光很接近 实验时将卤钨 灯放置在太阳能电池方阵前 80 cm 处 将太阳能电 池接上负载 测量出负载的伏安特性曲线 实验装 置框图如图 8所示 图 8 太阳能电池伏安特性测量装置框图 伏安特性测量电路如图 9 所示 电路中负载 RL1 RL2分别为 300 和 10 k 的多圈电位器 R1为 电流取样电阻 阻值为 1 R2 R3的阻值均为1 M 构成分压取样电路 实验前将负载 RL1 RL2阻值调 到零 实验开始后先调 RL1使其阻值缓慢增至最大 然后缓慢增大 RL2阻值 调到最大时将电键 K 推开 使负载值呈无穷大 过程为 120 s 设 XY 记录仪采样 率为 2 次 s 采样时间为 120 s X 通道 Y 通道单位 转换系数 分别设为 0 002 和 1 0 采集的结果如图 10 所示 图 11为 Origin 软件绘制的数据处理曲线 图 9 太阳能电池伏安特性测量电路 图 10 太阳能电池伏安特性数据采集曲线 图 11 太阳能电池伏安特性数据处理曲线 在太阳能电池特性测量中 衡量太阳能电池性 能的重要表征参数是填充因子 FF 公式如下 FF Pm UocIsc UmIm UocIsc 3 式中 Pm为太阳能电池的功率输出为最大时负载所 对应的最大功率 Um Im分别为对应的最佳工作电 压和最佳工作电流 Uoc和 Isc为负载开路电压和负载 短路电 流 实 验测 量得 Uoc 9 938 9 V Isc 128 39 mA 将图 10 的数据采集结果代入式 3 可计 第 11 期王 瑗 等 计算机数据采集在大学物理实验中的应用 45 算出本次测量的太阳能电池的 FF 值为50 95 2 3 发光二极管伏安特性测量 在大学物理 非线性元件伏安特性测量 实验课 中所选用的非线性元件主要是各种常用的二极管 如检波管 整流管 稳压管 发光二极管等 下面我 们以发光二极管为例用 XY 记录仪测量其伏安特 性 测量电路如图 12 所示 图中的 E 为 0 5 V 的直流可调稳压电源 R 既是限流电阻 又是电流 取样电阻 阻值为 200 D 为待测发光二极管 在 120 s的实验时间内 由零值开始缓慢增大电源输出 电压值 由 XY 记录仪测出发光二极管上的电流 电 压值 设 XY 记录仪的 X 通道 Y 通道单位 转换系 数 分别为 0 001 和 0 005 采样率 2次 s 采样时间 120 s 图 13是对发光二极管 蓝光 的伏安特性进 行测量后的结果显示 图 12 发光二极管伏安特性测量电路 图 13 发光二极管 蓝光 伏安特性数据采集曲线 图 14 是分别对发出红光 绿光 蓝光等发光二 极管的伏安特性进行测量后的结果显示 测量效果 非常理想 图 14 发光二极管 红 绿 蓝 伏安特性数据处理曲线 3 结束语 从上面的几个实验过程可以看出 在物理实验 中使用计算机数据采集技术 既发挥了计算机在实 验数据的实时采集 记录 分析 显示等方面特有的 优势 又显示出了它在使用中的方便性 灵活性 广 泛性 它能充分调动学生实验的积极性和主动性 学生可针对不同的实验内容 自己设计出合适的实 验电路 对有关物理量进行测量和分析 既丰富了物 理实验课程的内容 又有助于物理实验教学的研究 对物理实验课程改革起到了良好的促进作用 参考文献 1 游伯坤 阚家钜 江兆章 温度测量与仪表 热电 偶和热电阻 M 北京 科学技术文献出版社 1990 290 291 2 王雪文 张志勇 传感器原理及应用 M 北京 北京 航空航天大学出版社 2004 35 37 Application of data acquisition with computer in the college physics experiment WANG Yuan1 YU Jian bo1 ZHAO Tie song2 1 Department of Physics Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China 2 Department of Physics Renmin University of China Beijing 100872 China Abstract Application of the computer data acquisition and processing in the college physics experime