無機械磨損的金屬電子逸出功實驗儀

張 莉， 張共寧， 袁丕方， 顧大偉， 張楷龍

(南京工業大學 理學院， 江蘇 南京 211816)

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無機械磨損的金屬電子逸出功實驗儀

張 莉， 張共寧， 袁丕方， 顧大偉， 張楷龍

(南京工業大學 理學院， 江蘇 南京 211816)

將光電編碼器使用在金屬電子逸出功實驗儀中，實現金屬電子逸出功儀器中電流電壓的無磨損調節。手動旋轉光電編碼器，由此產生控制信號，經單片機處理， DA數模轉換，產生實驗所需要的直流高壓或電流。改裝后的金屬電子逸出功實驗儀實現了電壓調節裝置的永久性使用而不產生機械磨損，不受環境溫度等因素的影響，克服了電位器帶來的各種弊端。結果顯示了實驗數據精度的提高。

電壓調節； 光電編碼器； 實驗教學

0 引 言

金屬電子逸出功的測定實驗，綜合性地應用了直線測量法、外延法和補償測量法等多種基本實驗方法,在數據處理方面有較好的基本訓練[1-3]。在該實驗過程中，學生需要調節電流以控制燈絲溫度，調節陽極電壓來控制電場的強度。 在現有的金屬電子逸出功實驗儀器中，電壓和電流的調節都是通過電位器進行的，電位器由于大量、反復使用，容易產生觸點磨損，導致調節對象的不穩定直至失調；電位器還會因為潮濕、溫度等原因，導致輸出電流電壓不穩定或不精確。這些因素都會造成實驗設備的不穩定，甚至無法正常使用，影響實驗教學的有序進行。

針對電位器使用中出現的弊端，本文提出采用基于光電編碼器結合單片機控制的直流高電壓升壓裝置和電流調節裝置來替代電位器，利用光電編碼器提供數字信號,達到電壓、電流調節目的。除了可以消除電位器機械磨損帶來的弊端外，由于單片機具有自動控制的能力，還可以輸出高精度的直流高電壓，從而提高了實驗裝置的測量精度，也提高了實驗設備的完好率。

1 裝置模塊結構

本裝置主要包括：光電編碼器控制、89c52單片機、D/A控制信號輸出、TL494脈寬調制、Boost升壓電路、LM317穩壓電路、A/D采樣輸入、LCD液晶顯示[4-6]。其中，手動旋轉光電編碼器、89c52對實驗人員的操作信號進行處理，D/A芯片產生模擬控制電壓，模擬電壓分別提供給TL494和LM317。LM317電路通過提供的不同電壓生成相應的燈絲電流。TL494根據提供的控制電壓產生不同占空比的方波信號，Boost升壓電路根據這些方波信號產生提升的陽極電壓。A/D采樣電路同過分壓等方式采集需要測量的量，反饋給89c52單片機，89c52進行處理提供給LCD液晶顯示器進行信息顯示[7-9]。

在金屬電子逸出功實驗儀中利用光電編碼器調節電壓的功能模塊見圖1。其中，編碼器1、2模塊給STC89C52單片機提供實驗操作人員的控制信號，單片機將兩路控制信號的大小和方向加以識別，轉換成燈絲電流輸出模塊和陽極電壓輸出模塊所需要的控制量，分別對金屬燈絲模塊的燈絲電流以及陽極電壓進行控制。金屬燈絲模塊中的燈絲電流、陽極電壓和陽極電流等參數，通過發送給單片機，單片機將相關的信息發送給LCD顯示模塊加以顯示。

圖1 裝置的整體結構圖

2 光電編碼器實現電壓調節工作原理

光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與轉動旋鈕同軸，轉動旋鈕旋轉時，光柵盤與轉動旋鈕同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前轉動旋鈕的轉速[10-12]。此外，為判斷旋轉方向，碼盤提供相位相差90°的兩路脈沖信號。 當光電編碼器順時針旋轉時，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°；當光電編碼器逆時針旋轉時，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°(見圖2)。

以波形A為中斷信號，當下降沿觸發使讀取波形B的高低電平判斷光電編碼旋轉的方向，裝置通過單片機P31口讀取Q端口電平用來判斷編碼器旋轉方向，通過計數算脈沖個數來測量旋轉力度。

圖2 光電編碼器的旋轉

3 光電編碼器實際電路

光電編碼器實際電路如圖3所示。

U1-金屬鎢絲燈泡， U2-LCD顯示，U3-LM317，U4-STC89C52芯片，U5-LM358放大器芯片，U6-INA117差分放大器，U7-D/A數模轉換芯片，U8-TL494脈寬調制芯片，U10、U11-光電編碼器，U12-A/D模數轉換芯片，S1-STC89C52復位開關

編碼器1模塊由編碼器1 U10、上拉電阻R13、R14組成。其中編碼器1的A路通過電阻R13與+5 V電源連接，同時與STC89C52芯片的P32連接。編碼器的B路通過電阻R14與+5 V電源連接，同時與STC89C52芯片的P36連接。

編碼器2模塊由編碼器2 U11、上拉電阻R15、R16組成。其中編碼器2的A路通過電阻R15與+5 V電源連接，同時與STC89C52芯片的P33連接。編碼器的B路通過電阻R16與+5 V電源連接，同時與STC89C52芯片的P37連接。

光電編碼器控制陽極電壓的具體方法:手動旋轉光電編碼器，由此產生的控制信號經過單片機的處理，經DA數模轉換，產生0～4.096 V的電壓，控制TL494產生不同的脈寬，通過Boost電路即可升壓，產生實驗所需要的直流高壓。

光電編碼器控制燈絲電流的具體方法：手動旋轉光電編碼器，由此產生的信號經過單片機的處理，經DA數模轉換，產生0～4.096 V電壓。通過LM358將電壓放大3倍，用電壓來控制LM317產生實驗需要的燈絲電流。

4 實驗數據及結果

用安裝了無磨損電壓調節裝置的金屬電子逸出功實驗儀進行本實驗，得到實驗數據，再利用直線測量法、外延法和補償測量等方法進行數據處理[13-14]，最終結果如表1～3所示。經過計算：直線斜率m=-2.188×104, 逸出功eψ=4.34 eV。金屬電子逸出功的公認值為eψ=4.54 eV。

表1 燈絲電流(If)—陽極電壓(Ua)—陽極電流(Ia)

表2 燈絲溫度的關系

表3 燈絲溫度T—lg I—lg(I/T2)—1/T的關系

5 結 論

(1)使用光電編碼器代替電位器，編碼器在調節的過程中幾乎沒有機械磨損，保證了實驗裝置的穩定性和精度。

(2)采用數模轉換電路、脈寬調制電路、升壓電路配合可實現輸出高電壓的自動穩定。具有較高的穩定性和可靠性。

(3)采用12位數模轉換芯片和16位模數轉換芯片，實現了輸出電壓20～500 V精度0.5 V的調節，可以根據用戶的需求，選擇更高位數的模轉換芯片,實現更高精度的電壓輸出調節。

(4) 體積小，便于用戶安裝,實用性強，能夠應用在高校物理實驗裝置中有直流高電壓的地方，例如金屬電子逸出功、密立根油滴、夫蘭克-赫茲等實驗都需要直流高電壓的調節，提高教學實驗設備的可靠性、大大減少設備的損壞率、降低設備的維修成本。

[1] 蔡永明,王新生.大學物理實驗[M]. 2版. 北京：化學工業出版社，2009：163-167.

[2] 顧大偉,張共寧,袁丕方.大學物理實驗指導與報告[M].2版. 北京：科學出版社，2008：78-80.

[3] 錢 峰,潘仁培 大學物理實驗(修訂版)[M].北京：高等教育出版社，2005：163-166.

[4] 邱關源, 羅先覺.電路[M]. 5版. 北京：高等教育出版社，2011：115-118，257-269.

[5] 康華光.電子技術基礎[M].5版. 北京：高等教育出版社，2013：75-91，105-116，431-456.

[6] 姜 橋.電子技術基礎[M].北京：人民郵電出版社，58-77，121-143.

[7] 謝維成.單片機原理、接口及應用系統設計[M].北京：電子工業出版社，61-88，126-154.

[8] 黃 勤.單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2010：42-58，67-81.

[9] 王長濤,韓忠華,夏興華.單片機原理及應用—C語言程序設計與實現[M].2版. 北京：人民郵電出版社，2014：138-153.

[10] 姜 義.光電編碼器的原理與應用[J].機床電器，2010，2：25-28.

[11] 沈顯慶.開關電源與設計[M]. 南京：東南大學出版社，2012：55-81.

[12] 姚金生，鄭小利.元器件[M]. 3版. 北京：電子工業出版社，2009：178-185.

[13] 吳石林.誤差分析與數據處理[M]. 北京：清華大學出版社，2010：198-230.

[14] 費業泰.誤差理論與數據處理[M].6版.北京：機械工業出版社，2013：150-171.

An Nonabrasive Experimental Instrument for Metal Electron Escape Work

ZHANGLi,ZHANGGong-ning,YUANPi-fang,GUDa-wei,ZHANGKai-long

(Faculty of Science, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China)

We propose that photoelectric encoder can be used to provide the digital signal and adjust the high voltage DC in the experiment of metal electronic escape work. Through turning the encoder manually, the control signal is produced, and processed by the singlechip. Then it produces the electric voltage or current. Using the device, there is little abrasion for permanent use and it is not affected by environmental or temperature. It slao does not need to replace the potentiometer. We apply this device in the experiment of the work function of metal electrons, and find that the data precision is significantly increased. This is helpful for arranging the experiment in order and reduce the experiment cost.

voltage control; photoelectric encoder; experiment teaching

2015-03-25

張 莉(1977-)，女，江蘇泰州人，講師，現主要從事大學物理和大學物理實驗的教學和研究。

Tel.:13951781719; E-mail: lizhang@njtech.edu.cn

TP 211+.1；O 4-33

A

1006-7167(2015)11-0071-03