熱敏電阻接入惠斯頓電橋的裝置改進

呂群松，吳興達

(廣東醫科大學 生物醫學工程學院，廣東 東莞 523808)

《用電橋測熱敏電阻的溫度特性》實驗是一項經典的驗證性物理實驗[1-3]。在大多數物理專業和有基礎物理教學課程的院校都有開設，包括醫科類院校[4]。作者對該實驗項目做了大量的研究總結，先是針對板式惠斯頓電橋進行研究改進，接著是對實驗中出現的故障進行總結和提出解決辦法，這次是要研究改進熱敏電阻接入惠斯頓電橋的裝置[5-7]。該裝置的研究改進必須解決以下三個問題：一是改進的方向和改進的必要性；二是改進的辦法；三是實際實驗使用證明其優越性。

1 改進的方向和改進的必要性

《用電橋測熱敏電阻的溫度特性》實驗要求測定不同溫度下熱敏電阻的阻值，然后畫出熱敏電阻的溫度特性曲線，最后算出熱敏電阻的材料常數。根據本校使用的教材，學生使用的是自然降溫法，即把熱敏電阻泡入一個小燒杯的熱水中，改變熱敏電阻的溫度環境，隨著熱水的自然降溫來測量其不同溫度下的阻值。實驗操作難點是：在不同溫度的瞬間，怎樣調節使電橋平衡，以便獲得正確的實驗測量數據。因為醫學類學生以后要采集分析的信號是人體信號，是隨時間變化而變化著的信號，所以很有必要讓學生提前接觸并理解這類數據的采集。故這個實驗項目的培養目標之一就是：要求學生在水的自然降溫狀態下，調節電橋使其平衡再記錄下電橋平衡瞬間的溫度值和電阻值。這是一個演練，是一個很好的簡化模型，有利于學生理解瞬時數據的概念和采集瞬時數據的方式，是基礎實驗教學不可缺少的一環。

現在的科技進步日新月異，可調節溫度的恒溫系統并不少見。使用上恒溫系統后，雖然實驗檢測的數據精確度非常高，但是學生實驗操作不過是常溫狀態下實驗操作的簡單重復罷了，對學生的操作技能訓練用處不大。所以大多數的實驗指導書中，對這一實驗使用的都是自然降溫法，實驗儀器提示里并沒有保溫杯或保溫系統，就只有一個 50 mL 的小燒杯。

如圖1 熱敏電阻接入裝置照片所示，這是原來實驗使用的方式，該裝置包括：一個鐵架臺、一個鐵夾、一支通過線懸掛著的溫度計、一個小燒杯(50 mL的)，一塊小的長方形電路板(4 cm×6 cm)，電路板裝著兩個香蕉插座，香蕉插座底下焊接了熱敏電阻，可通過帶香蕉插頭或帶夾子的導線接入電路。兩個香蕉插座中間位置開有一個小孔，可以通過溫度計來測量小燒杯內的水溫，等同于熱敏電阻的溫度。

這裝置在實驗使用中的缺點是：①部件多，鐵架臺又高又大，占地方；②溫度計通過線懸掛著，容易擺動，不穩定；③小電路板太小太輕，接入導線之后稍有碰撞就會掉落，甚至拉翻小燒杯使水漫臺面或小燒杯摔爛。④熱敏電阻的接線腳經常會斷開，或者絕緣漆會開裂而需要更換。

圖1 熱敏電阻接入裝置照片

為了精簡實驗準備、降低學生實驗損耗，必須改進熱敏電阻接入惠斯頓電橋的裝置，讓它能保護好裝熱水的小燒杯，保證學生不容易被燙到的同時能穩定的記錄實驗溫度值。

2 改進的方法

如圖2所示，新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的主體部分是一個前后通透的帶蓋的透明有機玻璃盒子。蓋子上開三個孔，兩側的孔裝入多用接線柱(可接入不同接頭的單支導線)，中間的孔插入溫度計。同時接線柱底下焊接上1 mm粗的漆包線，漆包線的另一端再分別焊接上一只熱敏電阻的兩根接線腳，漆包線的長度約有十幾厘米，具體要參考盒體空間的大小、焊接完成后熱敏電阻的位置和溫度計的刻度來定。最終的標準是：新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置整體放好時，溫度計20 ℃刻度的位置在盒蓋的上方，熱敏電阻接近溫度計的測溫泡，同時位于小燒杯正中位置，使熱敏電阻和溫度計的測溫泡置于小燒杯里的水完全淹沒浸泡又不接觸小燒杯的底部(在溫度計20 ℃刻度的位置，用細的透明膠布纏上十幾圈，讓溫度計卡在小孔上，懸空掛著，不掉進小燒杯底部)。然后給焊點和熱敏電阻的接線腳噴上絕緣漆。最后，等絕緣漆干透后用細的單支硬導線絞合漆包線固定盒蓋中間小孔插下的溫度計。

圖2 新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置照片

3 新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的優越性

經過學生實驗使用證明，新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置具有以下的優點：①不占地方，單獨就一個盒子的位置；②主體方正，連接導線的盒蓋較大，不容易被導線拉扯而倒下；③溫度計的測溫泡貼近熱敏電阻且被固定，容易讀取溫度值；④盒子前后通透可以加快熱水的自然降溫，不影響學生實驗操作的速度；⑤耐用，不容易損壞。因為學生實驗操作使用新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置時，盒蓋連同熱敏電阻和溫度計只需要抬起蓋子放好裝水的小燒杯，再蓋回去就行，沒有壓到熱敏電阻，沒有碰到溫度計的測溫泡，不會損壞。同時，方方正正的盒子主體不容易倒下，更不會損壞放在它中間的小燒杯。

4 新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的制作[8]

(1)按表1新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置各組件裁取的參考數據中各名稱編號所對應的規格尺寸準備材料(本實驗室使用的是4 mm厚的有機玻璃板)。

(2)取表1所示的①②③按虛線位置粘合成主體⑥；取④⑤粘合成盒蓋⑦(本實驗室使用的黏合劑是氯仿)。圖3是新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的分解圖。

表1 新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置各組件裁取的參考數據

圖3 新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的分解圖

(3)在上蓋板上的a孔、c孔裝入多用接線柱，接線柱的底下裝上一片銅焊接片。

(4)取1mm粗的漆包線13cm兩段，依照最終的標準，按新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置的主體大小和本實驗(室所用的溫度計以及焊接方式調節知道)，刮去兩端的絕緣漆，分別焊接到熱敏電阻的兩端，漆包線的另一端分別焊接到兩接線柱的焊接片上。焊接后對焊點和熱敏電阻的接線腳做絕緣處理(噴上絕緣漆)。

(5)絕緣漆干透后取一支玻璃溫度計(0～100 ℃)，在20 ℃刻度以下的位置用1cm寬的透明膠帶纏上幾圈，使溫度計插入盒蓋b孔時在這里被卡住，同時會發現此時溫度計的測溫泡的位置比較靠近熱敏電阻，調節一下讓它們貼近，然后用硬的單支導線絞合固定溫度計和兩支粗漆包線(如圖2)。新熱敏電阻接入裝置整體放好時，溫度計20 ℃刻度的位置在盒蓋的上方，熱敏電阻貼近溫度計的測溫泡，同時位于小燒杯正中位置。

5 結 語

按4的步驟和尺寸制作出的熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置不大不小恰好合適。“不大”指不占地方，使用時容易放得下；“不小”指使用中不小心碰到時，它不會傾倒，放在里面的小燒杯也不會倒。假如不要底板的話，盒子不穩固，當盒子移動時小燒杯不動，會碰到小燒杯，不可取。新熱敏電阻接入惠斯登電橋的裝置經過使用驗證，它的使用效果良好，既不改變實驗教學培養目標，能培養學生采集瞬時數據的能力，也提高了實驗員實驗準備工作的效率，節約了實驗教學成本。