简易式毫伏级待测电动势实验仪的设计及其稳定性的研究

李景奎，崔金刚，张中兴，牟洪波

(东北林业大学，黑龙江哈尔滨150040)

电位差计实验是大学物理实验中最基本的实验项目之一，实验所需要的待测电动势要求为毫伏级，灵敏度高，大小可调节，能够可重复性测量等特点［1-2］。目前多数高校在电位差计实验教学及测量时，所用的待测电动势一般有两种:一种是用酒精灯加热热电偶的方法来产生待测电动势，通过热电偶的温度改变来实现［3-4］。另一种方法是通过光电转换来实现的，利用小灯泡或者LED发出的光照在光电二极管上，产生光电流，将光电二极管与电位器相连，在光电二极管输出端产生毫伏级电动势［5-6］。这两种方法都有一定缺陷，第一种方法实验时间长，控制起来不灵敏，危险性较大;第二种方法产生的电动势不能长时间内保持稳定，电动势的大小会发生的漂移，实验的重复性不好，而且这两种方法都耗能，不够环保，在实验准备和实验进行中不可避免要添加酒精，更换小灯泡，LED灯珠等，不可避免增加了实验人员的工作量［7］。

1 简易式毫伏级待测电动势实验仪的设计

简易式毫伏级待测电动势实验仪原理图见图1，它包括直流稳压电源E、发光二极管LED、电阻R和电位器RP，直流稳压电源E的正极连接发光二极管LED的阳极，发光二极管LED的阴极连接直流稳压电源E的负极，作为仪器指示灯。直流稳压电源E的连接电阻R，电阻R连接电位器RP的一个固定端，电位器RP的滑动端和一个固定端之间输出毫伏级电动势。其中，直流稳压电源E采用电压为3 V的直流稳压电源。发光二极管LED采用功率为1W的发光二极管。电阻R采用电阻为36 kΩ。输出电动势的大小可通过电位器调节，其中，连续稳定的电动势0～170 mV能够满足电位差计实验对待测电动势具体实验要求。

图1 简易式毫伏级待测电动势实验仪原理图

2 简易式毫伏级待测电动势实验仪稳定性的研究

2.1 简易式毫伏级待测电动势实验仪稳定性研究的实验设计

根据测量仪器稳定性的需要，在电位差计测量范围0～170 mV调节电位器改变输出电动势的大小，共设置6个组别，分别为V1(5 mV)、V2(20mV)、V3(40 mV)、V4(80 mV)、V5(120 mV)、V6(160 mV)。共6个组别，具体的参数设定与顺序排列见表1，所示分别测试每组在5 min，10 min，30 min，60 min，120 min 的电动势的大小，不同时间节点读数三次，并求出3次测量的平均值，分析不同组别输出毫伏级电动势的稳定性。

表1 简易式毫伏级待测电动势实验仪稳定性研究的实验结果

2.2 简易式毫伏级待测电动势实验仪稳定性研究的实验结果

图2 输出电动势平均值随时间变化规律

在整个测量读数过程中，电位差计实验的电流表指针摆动幅度非常小，几乎不动，从表1的读数结果可以看出，V1和V2两个组别不同时间的三次读数差异很小，不超过0.02 mV;从V5、V6、V7和V8四组数据可以看出，输出的电动势在40～160 m范围内也非常稳定，同组中最大差异也没有超过0.05 mV，特别是80 mV左右的V4组，实验数据变化很小，有的时间点测量的3次读数几乎不变。输出的电动势平均值随时间变化规律见图2，从V1到V6的6个组别输出电动势平均值的大小几乎不随时间改变，6条曲线非常平稳，接近平行，说明简易式毫伏级待测电动势实验仪在各个节点输出电动势几乎不随时间变化。从整体上看，在电位差计量程范围内，简易式毫伏级待测电动势实验仪输出的六个组别电动势读数是非常稳定的。

3 结 论

从简易式毫伏级待测电动势实验仪稳定性研究的实验结果来看，输出的电动势在0～170 mV范围内非常稳定，不随时间改变，输出电动势大小连续可调，能够满足在电位差计实验仪测量范围0～170 mV测量需求;从简易式毫伏级待测电动势实验仪原理可以看出，待测电动势实验仪是通过改变输出端电阻大小来实现输出电动势的变化，实验原理简单，制作容易，简易式毫伏级可控电动势没有采用易损白炽灯和热电偶等的耗能元件，避免耗能元件使用寿命有限带来日常更换维护等方面困扰。解决了现有待测电动势控制不灵敏，实验周期长，危险性大，短时间无法重复验证实验，产生的电动势不稳定，电动势的大小漂移，实验重复性不好等这一系列问题。另外，所设计简易式毫伏级待测电动势实验仪不受温度、光照等环境因素影响，具有使用方便，制作简单，节能环保，成本低廉，稳定耐用，实验效果良好等优点，是非常理想的箱式电位差计实验配套仪器。

［1］李磊，苏学军.箱式电位差计交流电源的新设计［J］.大学物理实验，2007，20(2):57-59.

［2］张波.电位差计测量电池电动势的误差分析［J］.沈阳大学学报，1994(2):27-30，1999，12(1):57-60.

［3］高秋捷.热电偶的温差电特性［J］.大学物理实验，2004，17(1):37-39.

［4］熊艳玲，张宏琴，吕月兰.直流电位差计测量热电偶电动势的不确定度分析［J］.大学物理实验，1999，(1):56-60.

［5］李广英，赵雪，仇三东，等.光电毫伏级待测电动势实验仪的设计及其稳定性的研究［J］.课程教育研究，2014(1):230-230.

［6］李广英，赵雪，仇三东，等.LED毫伏级待测电动势实验仪的设计及其稳定性的研究［J］.大学物理实验，2013，27(6):45-47.

［7］支燕，蔡渊明.电势差计实验中常见故障的研究［J］.工科物理，1998(5):29-31.