热敏电阻接入惠斯顿电桥的装置改进

吕群松，吴兴达

(广东医科大学 生物医学工程学院，广东 东莞 523808)

《用电桥测热敏电阻的温度特性》实验是一项经典的验证性物理实验[1-3]。在大多数物理专业和有基础物理教学课程的院校都有开设，包括医科类院校[4]。作者对该实验项目做了大量的研究总结，先是针对板式惠斯顿电桥进行研究改进，接着是对实验中出现的故障进行总结和提出解决办法，这次是要研究改进热敏电阻接入惠斯顿电桥的装置[5-7]。该装置的研究改进必须解决以下三个问题：一是改进的方向和改进的必要性；二是改进的办法；三是实际实验使用证明其优越性。

1 改进的方向和改进的必要性

《用电桥测热敏电阻的温度特性》实验要求测定不同温度下热敏电阻的阻值，然后画出热敏电阻的温度特性曲线，最后算出热敏电阻的材料常数。根据本校使用的教材，学生使用的是自然降温法，即把热敏电阻泡入一个小烧杯的热水中，改变热敏电阻的温度环境，随着热水的自然降温来测量其不同温度下的阻值。实验操作难点是：在不同温度的瞬间，怎样调节使电桥平衡，以便获得正确的实验测量数据。因为医学类学生以后要采集分析的信号是人体信号，是随时间变化而变化着的信号，所以很有必要让学生提前接触并理解这类数据的采集。故这个实验项目的培养目标之一就是：要求学生在水的自然降温状态下，调节电桥使其平衡再记录下电桥平衡瞬间的温度值和电阻值。这是一个演练，是一个很好的简化模型，有利于学生理解瞬时数据的概念和采集瞬时数据的方式，是基础实验教学不可缺少的一环。

现在的科技进步日新月异，可调节温度的恒温系统并不少见。使用上恒温系统后，虽然实验检测的数据精确度非常高，但是学生实验操作不过是常温状态下实验操作的简单重复罢了，对学生的操作技能训练用处不大。所以大多数的实验指导书中，对这一实验使用的都是自然降温法，实验仪器提示里并没有保温杯或保温系统，就只有一个 50 mL 的小烧杯。

如图1 热敏电阻接入装置照片所示，这是原来实验使用的方式，该装置包括：一个铁架台、一个铁夹、一支通过线悬挂着的温度计、一个小烧杯(50 mL的)，一块小的长方形电路板(4 cm×6 cm)，电路板装着两个香蕉插座，香蕉插座底下焊接了热敏电阻，可通过带香蕉插头或带夹子的导线接入电路。两个香蕉插座中间位置开有一个小孔，可以通过温度计来测量小烧杯内的水温，等同于热敏电阻的温度。

这装置在实验使用中的缺点是：①部件多，铁架台又高又大，占地方；②温度计通过线悬挂着，容易摆动，不稳定；③小电路板太小太轻，接入导线之后稍有碰撞就会掉落，甚至拉翻小烧杯使水漫台面或小烧杯摔烂。④热敏电阻的接线脚经常会断开，或者绝缘漆会开裂而需要更换。

图1 热敏电阻接入装置照片

为了精简实验准备、降低学生实验损耗，必须改进热敏电阻接入惠斯顿电桥的装置，让它能保护好装热水的小烧杯，保证学生不容易被烫到的同时能稳定的记录实验温度值。

2 改进的方法

如图2所示，新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置的主体部分是一个前后通透的带盖的透明有机玻璃盒子。盖子上开三个孔，两侧的孔装入多用接线柱(可接入不同接头的单支导线)，中间的孔插入温度计。同时接线柱底下焊接上1 mm粗的漆包线，漆包线的另一端再分别焊接上一只热敏电阻的两根接线脚，漆包线的长度约有十几厘米，具体要参考盒体空间的大小、焊接完成后热敏电阻的位置和温度计的刻度来定。最终的标准是：新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置整体放好时，温度计20 ℃刻度的位置在盒盖的上方，热敏电阻接近温度计的测温泡，同时位于小烧杯正中位置，使热敏电阻和温度计的测温泡置于小烧杯里的水完全淹没浸泡又不接触小烧杯的底部(在温度计20 ℃刻度的位置，用细的透明胶布缠上十几圈，让温度计卡在小孔上，悬空挂着，不掉进小烧杯底部)。然后给焊点和热敏电阻的接线脚喷上绝缘漆。最后，等绝缘漆干透后用细的单支硬导线绞合漆包线固定盒盖中间小孔插下的温度计。

图2 新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置照片

3 新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置的优越性

经过学生实验使用证明，新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置具有以下的优点：①不占地方，单独就一个盒子的位置；②主体方正，连接导线的盒盖较大，不容易被导线拉扯而倒下；③温度计的测温泡贴近热敏电阻且被固定，容易读取温度值；④盒子前后通透可以加快热水的自然降温，不影响学生实验操作的速度；⑤耐用，不容易损坏。因为学生实验操作使用新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置时，盒盖连同热敏电阻和温度计只需要抬起盖子放好装水的小烧杯，再盖回去就行，没有压到热敏电阻，没有碰到温度计的测温泡，不会损坏。同时，方方正正的盒子主体不容易倒下，更不会损坏放在它中间的小烧杯。

4 新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置的制作[8]

(1)按表1新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置各组件裁取的参考数据中各名称编号所对应的规格尺寸准备材料(本实验室使用的是4 mm厚的有机玻璃板)。

(2)取表1所示的①②③按虚线位置粘合成主体⑥；取④⑤粘合成盒盖⑦(本实验室使用的黏合剂是氯仿)。图3是新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置的分解图。

表1 新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置各组件裁取的参考数据

图3 新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置的分解图

(3)在上盖板上的a孔、c孔装入多用接线柱，接线柱的底下装上一片铜焊接片。

(4)取1mm粗的漆包线13cm两段，依照最终的标准，按新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置的主体大小和本实验(室所用的温度计以及焊接方式调节知道)，刮去两端的绝缘漆，分别焊接到热敏电阻的两端，漆包线的另一端分别焊接到两接线柱的焊接片上。焊接后对焊点和热敏电阻的接线脚做绝缘处理(喷上绝缘漆)。

(5)绝缘漆干透后取一支玻璃温度计(0～100 ℃)，在20 ℃刻度以下的位置用1cm宽的透明胶带缠上几圈，使温度计插入盒盖b孔时在这里被卡住，同时会发现此时温度计的测温泡的位置比较靠近热敏电阻，调节一下让它们贴近，然后用硬的单支导线绞合固定温度计和两支粗漆包线(如图2)。新热敏电阻接入装置整体放好时，温度计20 ℃刻度的位置在盒盖的上方，热敏电阻贴近温度计的测温泡，同时位于小烧杯正中位置。

5 结 语

按4的步骤和尺寸制作出的热敏电阻接入惠斯登电桥的装置不大不小恰好合适。“不大”指不占地方，使用时容易放得下；“不小”指使用中不小心碰到时，它不会倾倒，放在里面的小烧杯也不会倒。假如不要底板的话，盒子不稳固，当盒子移动时小烧杯不动，会碰到小烧杯，不可取。新热敏电阻接入惠斯登电桥的装置经过使用验证，它的使用效果良好，既不改变实验教学培养目标，能培养学生采集瞬时数据的能力，也提高了实验员实验准备工作的效率，节约了实验教学成本。