伏安法特性实验的改进（精选4篇）
伏安法特性实验的改进 篇1
摘要：大学物理实验中测量二极管伏安特性是一个常规实验, 一般实验室只是采用原理图连线, 也没有基本的保护电路, 反向特性实验也做不成。经常因为连接点没有固定而悬空造成短路、断路损坏元器件, 很简单的实验很不容易完成。我们用一块有机玻璃板, 在上面打孔安装接线桩子, 添加适合的保护电阻, 同时对电源和其它元器件参数简单调整, 这样就将一个松散的实验模式变为了一个装置简洁明了, 实验方便, 实验范围扩大的仪器装置。实用性很强。
关键词：二极管,实验装置,改进,反向特性
二极管是显示世界最关键的器件之一, 也是上海世博会景观展现中很有影响的一个元件, 也将是人们生活中越来越离不开的朋友。因此, 做好二极管的实验研究对电子专业的学生而言比较重要。尽管实验室测量普通二极管伏安特性的学生实验是一个常规实验, 同时也是一个容易被忽视的实验, 是一个说起来容易做, 做起来容易出问题、不容易做完整、做完善的的实验。
一、常规实验装置及存在的问题
1、实验室常规测量二极管的伏安特性的装置图如下:
利用这个装置对二极管的正向伏安特性也能做出来,
2、存在以下问题:
(1) 没有保护元件, 实验中经常出现烧坏二极管的事故, 事实上也很难控制;
(2) 二极管的反向伏安特性不能测量, 通常学生对二级管的反向特性的认识局限在反向击穿的肤浅概念上, 没有量的认识, 不能帮助学生加深对二极管的认识与研究。
二、测量二极管正反向伏安特性装置的改进内容
1、二极管正、反向伏安特性改进装置图和元器件数值
2、装置说明
(1) 以前由于条件限制一直用低频信号发生器现在统一用直流可调电源, 调整电源供电电压, 由原来的15伏提高到30伏;
(2) 增加电源电压显示表, 直观监测电源电压;
(3) 增加保护电阻, 电阻功率为8分之一瓦, 经过测算, 采用30伏电源, 该电阻阻值以3000欧为宜;
(4) 确定了测量二极管反向伏安特性的线路图和元件数据;
3、使用效果
(1) 可测内容增加。暂定检测内容有4项, 扩展了锗、硅二极管的反向伏安特性的测量, 全部内容在一块15*10平方厘米的有机玻璃板上布置。该装置节点只有7个, 电阻2个, 小拨动开关1个, 待测件锗、硅二极管各一个。凡连接处都在接线桩子上, 不会出现节点散乱, 节点相互短接的现象;
(2) 元器件容易购买, 价格便宜, 全套装置3元以内。
(3) 直观、方便、安全。在原装置的基础上增加了两个小电阻, 采用分压原理对待测件和电源起到了完全的保护作用, 待测二极管以检波二极管即可, 反向特性使用50微安量程即可, 电压表、正向电流表规格不变, 电源带显示表, 可保证总量控制精准;
(4) 结构合理, 误差减小。正向采用电流表外接式, 反向采用电流表内接式, 可尽量减少误差;
(5) 杜绝了待测件和电源的损坏。
三、利用新装置测量的具体实验数据
1、锗二极管
2、硅二极管
3、图示
四、我们的体会
1、本、专科的物理实验近二十个内容, 传承时间长, 也比较容易做出来, 所以很少有人去探究它们的不足或者去进行改进。但问题确实存在。因此, 在实验中发现这些实验的小问题, 并积极去研究或者拓展、完善是我们实验工作者的职责。
2、在弄通原理的基础上做实验, 关键是心要细, 在每个细小环节上用心;
3、实验的简单扩展与探讨对指导学生实验, 服务经济建设, 使学生能够把实验知识直接与社会接轨具有现实意义。
“伏安法”实验故障分析 篇2
1 知识要点故障分析
（1）连接电路时，开关要打开，避免出现短路或断路现象.闭合开关后，若电流表有示数，说明电路是短路，再根据电压表的示数情况判断故障，若电压表无示数，说明灯泡处发生了短路，否则短路在别的部位.闭合开关后，电流表无示数但电压表有示数，说明电路中出现断路，再根据电压表是否有示数判断灯泡处是否发生断路，若电压表有示数则灯泡处断路；若电压表无示数则断路应在别的地方.
（2）电流表使用时要与被测电路串联，让电流从电流表的正接线柱流进，从负接线柱流出，否则电流表的指针会反偏；被测电流不能超过所选的电流表的量程，否则电流表指针偏转角度过大，超过满刻度甚至会烧坏电流表；所选电流表的量程也不能过小，否则指针偏转角度过小，导致测量结果不准确.
（3）电压表使用时要与被测电路并联，本实验中应将电压表与电阻或灯泡并联.若不管怎样调节滑片，尽管电流表的读数变化但电压表的读数不变，说明电压表测的是电源电压；若闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片时，电流表的读数变大而电压表的示数却变小或电流表的读数变小而电压表的示数却变大，说明电压表是与滑动变阻器并联了.电压表在使用时对正、负接线柱及量程的要求和电流表相同.
（4）滑动变阻器在电路中的主要作用是保护电路和限压分流.使用时可用口诀归纳如下：
变阻器，四个柱，连接方法须记住；
一上一下连接好，两上两下切莫接.
下接左边接线柱，滑片右移阻值大；
下接右边接线柱，滑片右移阻值小.
具体使用时还要注意：①使用前先观察铭牌，看清其阻值范围和允许通过的最大电流值，在选择滑动变阻器时不能使通过变阻器的电流超过它允许通过的最大电流，在“伏安法”测功率时要能保证所选的变阻器使灯泡正常发光.②滑动变阻器要与灯泡或电阻串联，要想使它起变阻作用，连接时一定要采用一上一下连接.若闭合开关后，无论怎样移动滑片，电表的示数都不变，说明变阻器接了两上或两下，若两表示数都较小，且灯泡较暗，则接了下面两个接线柱；若两表示数都较大，且灯泡较亮，则接了上面两个接线柱.③由于滑动变阻器还起了保护电路的作用，所以闭合开关前，一定要将滑片置于阻值最大处，即下面接哪一个接线柱，闭合开关前，滑片应放在相反的一端.如果闭合开关后，灯泡特别亮（或电流表的示数较大），说明滑动变阻器的滑片没有放在阻值最大处或滑动变阻器接了上面两个接线柱.④另外滑动变阻器在不同实验中的作用也不一样，在伏安法测定值电阻时，是为了多测几次求平均值可以减小误差；在伏安法测功率的实验中，是为了调节灯泡两端的电压使灯泡正常发光.
（5）伏安法测电阻时，若测的是定值电阻的阻值，为了减小误差，要多测几次求平均值；测小灯泡电阻时，由于灯泡的电阻随温度的变化而变化，所以不好求平均值；测小灯泡的功率时，由于不同电压下灯泡的功率不同，所以也不能求小灯泡的平均功率.
（6）伏安法测小灯泡功率时，对电源电压是有要求的，电源提供的电压要稍大于灯泡的额定电压，否则无论怎样调滑片，电压表的示数都达不到灯泡的额定电压，灯泡都不能正常发光.
（7）对电表量程的选择一般是有规律的，在伏安法测电阻时，为了减小误差，一般用小量程；在伏安法测功率时，电压表的量程一般根据灯泡的额定电压来确定，电流表的量程一般可有两种方法来确定：①已知电阻的大约值，则可用I=U/R来确定.②已知功率的大约值，则可用I=P/U来确定.
（8）在伏安法测功率的实验中，如果测的是3.8 V灯泡的功率，但0～15 V档的量程坏了，在已知电源电压的情况下，可将电压表与变阻器相连，调节滑片，使电压表的读数为U=U源—3.8 V时，灯泡正常发光.
2 典型题目分析
例1 做测定电阻阻值的实验.
（1）小明根据图1所示的电路图，将图2中的实验器材连接成实验电路. 同小组的小亮在检查时认为，从实验目的来看，实验电路上有一根导线连接错了，建议小明改接. ①请你在接错的那根线上打“×”；②另画一根导线，使电路连接正确；③如果不改接这根导线，对实验的影响是：
分析 本题涉及的故障主要有两点：（1）电压表没有与被测电阻Rx并联，而是Rx与变阻器串联好后再与电压表并联，所以电压表测的是电源电压而不是Rx两端的电压.（2）本实验没有多测几组数据求电阻的平均值.
例2 程跃要做“测定小灯泡功率”的实验，请你跟随程跃边实验边思考，逐一回答下面的几个问题.
（1）请在图4（a）方框内画出该实验电路图.
（2）程跃刚连接完最后一根导线，立即看到灯泡发出明亮的光.在一旁观察的林雨一惊，提醒程跃实验中有问题.程跃想，我的实验连线没有出问题啊！请你帮助程跃找出实验中两个操作不当之处：
（5）程跃根据测量灯泡实际功率的多组实验数据，作出了，I—U图像，如图4（c）所示.结果发现图线不是直线，这表明灯泡的电流与电压不成正比.程跃很纳闷，请你帮助他分析原因.
分析 本题涉及的故障主要有：
（1）连接电路时开关没有打开.
（2）灯泡发出明亮的光，说明电路中总电阻较小，又因为实验连线没有出问题，隐含了变阻器是一上一下接入电路的，则只能是变阻器没有调到阻值最大处.
（3）由于小灯泡的电阻随温度的变化而变化，所以作出的I—U图线不是直线.
伏安法特性实验的改进 篇3
1.伏安法测电阻
伏安法是一种利用电压与电流之间的相互关系, 从而对所求算的内容进行结果分析的方法, 是一种常用的电化学式研究方法。该方法主要用于电阻的测量,其理论基础是欧姆定律,根据电压与电流的比值算出电阻值。由于电压的单位是伏特(简称伏),电流的单位是安培(简称安),而电阻的求算方法是电压与电流的比值,由此而得名。
用伏安法测电阻, 要同时测准电阻两端的电压和流过电阻的电流是难以做到的, 因此在实际测量中可用电流表外接或电流表内接如图1,对于不同测量对象应采用不同的电路以减小误差。
1.1电流表外接法
图1中开关K接1时,由电流表和电压表的读数,利用欧姆定律,可以得出
但真正的待测电阻RX0应由下式得到:
RV是电压表的内阻。
测量值的绝对误差为式中负号表示测量值U /I小于真实值。
测量值的相对误差为
因此我们得出: 所测得的值是电压表内阻RV和待测电阻RX0 的并联电阻值,所以测量值小于真实值;只有当RX0垲RV,相对误差就会减小,所以此接法适用于测量小电阻。
1.2电流表内接法
图1中当开关K接2时,真正的待测电阻RX0可由下式得到,RA为电流表内阻。
测量值的绝对误差为△RX=RX-RX0=RA,结果为正号 ,表示测量值大于真实值。
相对误差为
测量值是由电流表内阻RA和RX0的串联值,所以测量值大于真实值;当RX0垌R,相对误差愈小 ,所以此接法适用于测量较A大的电阻。
2.补偿法在伏安法测电阻实验中的应用
虽然伏安法是常用的电阻测量方法, 但是因为电路损耗等原因, 在实际测量中往往会对实验结果的准确度造成一定程度的影响,因此为了解决这一问题,补偿法应运而生。顾名思义,补偿法就是指为了减少伏安法测电阻实验中因电流表、电压表等的电流损耗造成的实验误差, 通过对电压或电流进行补偿,从而提高被测电阻的准确性而研制出的方法。在大学物理实验中常用补偿法对实验进行改进, 进而减少因为测量系统带来的误差。
2.1外接法的电压补偿法
该补偿法是对电压表进行补偿, 是为了消除电压表的内阻引入的测量误差。如图2所示,右侧虚线框内由辅助电源E2 与滑动变阻器R2组成一个分压电路, 所分得的电压由电压表测出。左侧由E2、待测电阻RX和电流表组成一个闭合回路。当RX两端电压与分压器分得的电压相等时,A,B两点的电势相等,电压表示数等于RX两端的电压,不用从左侧闭合回路中分得电流。在AB段电路接入灵敏电流计,用来检验电路平衡,当检流计指针为零时电压表达到补偿, 补偿部分的电路相当于一个内阻无限大的电压表。
此电路的具体测量方法为:如图2连接电路,S1,S2都断开, R1,R2,R3都放在安全端,调E1,E2为适当值。闭合开关SE1,S1调节滑动变阻器R2,R3使检流计示数为零。记录此时的U和I,可测量多组数据减少测量的不确定度。
2.2内接法的电流补偿法
该补偿法是对电流表进行补偿, 是为了消除电流表的内阻引入的测量误差。如图3所示,引入辅助电源E2,这样AB段电路之间就存在分别由E1,E2提供的两个方向相反的电流。只要两电源的电动势满足一定的要求,调节滑动变阻器R2,可使经过AB段电路的合电流为零,A、B两点电势相等,电压表相当于直接并联在待测电阻的两端, 其测得的值就是待测电阻两端的真实电压值。为了测量方便,在AC电路接入灵敏电流计。在实际测量电阻的过程中,为了保护灵敏电流计,与灵敏电流计串联一个滑动变阻器R3,虚线框内构成补偿后的“电流表”。此 时原电流表上的电位差由辅助电源E2和滑动变阻器R2上的电势差所补偿。这时电路处于平衡状态,灵敏电流计指示为零, 即A,B两点间的电势差为零,相当于电流表无内阻。这样就解决了电流表内阻分压的问题,从而提高了测量的精确度。
测量方法是: 如图3连接电路,S断开,R1,R2,R3都放在安全端,调节E1,E2为适当值。将开关S闭合,调滑动变阻器R2,使检流计读数为零,记下电压表和电流表的示数,就可直接求得待测电阻的值,为了降低测量的不确定度,可多测几组数据。
补偿法是测量实验中的一种重要方法, 针对电流表的内接法和外接法存在的缺陷, 使用不同的电压和电流补偿法电路测量电阻,实验测得的电流和电压都是真实值,因而减小了系统误差,达到了实验目的。
3.应用补偿法进行伏安法测电阻实验的优势
传统伏安法测量电阻中, 由于通过电流表的电压损耗或通过电压表的电流损耗而使得实验中所测量的电流值或电压值与实际值之间存在较大的出入, 因此造成实验数据的不真实性而引起的实验结果误差, 从一定程度上影响了实验的精确度。补偿法在大学物理伏安法测电阻中的应用十分重要,该方法是一种针对伏安法测量过程中的缺陷,主要是电流、电压的损耗对电阻测量造成的误差。通过补偿法的电流补偿原理与电压补偿原理而设计出相应的电路图, 在原伏安法测电阻的电路中加入滑动变阻器及检流表的应用, 通过调节滑动变阻器使检流表示数为0,从而达到对电路补偿的目的,使测量得到的电压值或电流值更接近真实值,从而减少测量误差,提高实验的精准性。
摘要：伏安法测电阻一直是整个电学物理实验的基础,从初中一直贯穿到大学物理实验中,但是在各个不同的学习阶段,对测量值的准确度我们有不同程度的要求。本文讲述了不同接法的伏安法测电阻的原理及实验测量值的误差,为了减少测量误差,在大学物理实验中,教师常用补偿法对伏安法测电阻进行改进,进而减少由于测量系统给实验带来的误差,并且讲述了补偿法的优势所在。
太阳能伏安特性测试仪的改进设计 篇4
1 系统功能概述及框图
本系统利用微处理器AT89C51, 超声波传感器, 数字芯片, 模拟电路等完成对太阳能伏安特性测量仪的改进。系统框图如图一:
在光源中心装上超声波发射器C, 在太阳能电池板两边装上超声波接收器A和B (装置示意图) , 超声波发射器C发出一串超声波, 接受器A、B分别接收到超声波, 并对其分别进行放大, 整形, 然后通过对两个信号联合的处理, 最后分辨出哪个接受器先接收到信号, 以此来判断出距离的远近, 再通过电机的转动来调准, 直至太阳能电池板与光源正对。
2 电路的设计
超声波传感器有发送器和接收器, 频率为40KHZ。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化, 在发射超声波的时候, 将电能转换, 发射超声波;而在收到波的时候, 则将超声振动转换成电信号。
超声波传感器一般用来测距离, 超声波测距的原理一般采用时间差法, 即测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间, 再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离, 即:
式中, D—传感器与障碍物之间的距离;c—声波在介质中的传输速度。
根据公式1) 可知, 测距误差主要由传播速度误差和传播时间误差所引起, 如果测量精度要求较高, 就要对最后的结果作修正, 例如为了减少温度对声速的影响, 要做温度补偿等, 误差一般是厘米级别的。根据以下分析 (如图二) :
C是光源中心, A、B分别为太阳能电池板两端, o为转轴处。实测太阳能电池板宽度为24cm, 即AO=BO=12cm, 假设CO=30cm, 当AC=BC时, 光源与电池板正对;当偏转一定的角度, 假设偏转1度时, 通过简单的余弦计算可得:CD-CB=0.38cm, 假设在此利用温度补偿的常规的超声波测距方法得到的测距误差为2cm, 角度的误差就超过5度, 这样的精度不能满足本设计的要求, 本设计的要求:测量误差角度在1度之内。
既然测距误差来源于传播速度误差和传播时间误差, 本设计的巧妙之处在于可以避免以上两个量所产生的误差, 使得测量精度得到很大提高。本设计的目的不在于长度本身, 而关键在于长度的比较, 可以直接归纳为是:从同一个超声波发射源发射信号, 两个超声波接收源接受信号的先后次序, 如果B先接受到信号, 则就是表示BC
超声波发射电路有软件和硬件两种方法, 本设计用的是软件方法:在发射电路中, 通过软件编程方式, 对单片机I/O口置高和置低, 产生40 k Hz脉冲信号, 输出到发射电路中。用74HC04来提高单片机输出电流的能力, 保证40k Hz的脉冲信号有一定的功率, 电路可以从同行参考。在超声波接收电路的考虑时, 先是考虑比较通用且方便的红外遥控接收芯片CX20106这一方案。CX20106接受与其中心频率相符的信号时, 7脚就输出低电平, 考虑通过两个接收芯片接收低电平的不同来判断, 但是困难是:1) 不能判别出接收到第一个波形和第二个相同相位波形的差别;2) 经过实际试验, 当AB和AC相差1CM时, 示波器上观察不出两个输出低电平的差异。故终止次方案。
经过下面简单分析:
超声波传感器发射波40KHZ。即周期:
以声速为340 (m/s) 计, 一个40KHZ的超声波经过的距离为:
如果设计的精度要求在之前确定的1度之内, 就需要能精确地判断A、B到达的顺序, 这里有两个需要考虑的问题:1) 电路能判断两个接收器接收的是发射器发射的第几个波, 例如, A接收了3个波, B接收了2个波, 自然, A离发射器距离近;2) A、B接收器接收的波形相差是一个周期之内的, 也要能判断谁先谁后;
以下设计的电路能达到上面这两个要求, 并且精度更高。如图三所示:
由单片机发射8个以上40KHZ的超声波, 超声波在空气中传播的衰减程度随传播距离的增加而增大, 所以被接收头收到的信号比较微弱, 不能直接送入后级处理, 超声波接收器A、B接收信号后用相互对称的电路对信号作放大处理, 并且把放大出来的正弦信号转变为脉冲信号A、B, 各自作为计数器A、计数器B计数脉冲, 计数器A、B计算着有超声波接收器接收来的信号的个数, 当某个计数器先记到1000时 (即接受器收到8个超声波时) , 或门输出由0变为1, 此时计数器的数据就由D触发器输出, 单片机通过D触发器传来数据的大小来判断电机的转向及转过角度的大小。然后再把计数器清零, 超声波再发射连续的8个以上的超声波。循环往复, 直至正对。
3 结果分析
根据以上电路图, 我们对A、B两路信号进行分析:如下图所示:
上图分析中, 连续发射9个超声波, 接受器A接收到8个波形时, 即计数器B的第8个上升沿到来时, 计数器B第7个上升沿还没到, 所以此时或非门由0变为1, 上升沿到D触发器, 此时单片机的得到的数据是:A路是8, B路是6;可以判断:发射器到A接受器近而到B接受器远, 电机转动相应角度, 这是两者距离超过一个波以上距离的情况。当两者的距离不到一个波长时, 如下图:
分析结果也是如此。所以从理论上来说, 只要A、B有前后之差, 此电路就能分辨出先后次序, 通过电机调准, 直至到达垂直。
实际误差大小是一个或门的延迟时间内超声波经过的距离。所用或门芯片为Hitachi HD74LS32, 其最大延迟时间为22ns, 距离的误差为:
此距离远小于一个超声波的距离8.35×10-3m, 由此可知, 这个精度是相当高的, 角度误差远小于1度, 能非常好地满足实验的要求。
摘要：把超声波传感器应用到太阳能伏安特性测试仪的改进, 使得太阳能电池板能够自动、精确地对准光源。超声波传感器一般用来监测距离, 所用原理一般采用时间差法, 但根据原来的方法, 测量精度约为5度, 误差太大;通过跳出原来思维定势, 用全新的方法设计出一个简单、巧妙的电路, 使测量精度大为提高, 误差在1度之内。
关键词：超声波,太阳能电池,传感器
参考文献
[1]苏强, 林旭海.一种基于单片机的超声波传感器的研究与设计[J].微型机与应用, 2010.
[2]丁立军, 华亮, 陈峰.基于超声波传感器与红外传感器的移动机器人感测系统研制[J].南通大学学报 (自然科学版) , 2008.