基于PASCO系統(tǒng)的低溫?zé)彷椛溆绊懸蛩氐难芯?/h1>
2014-12-24 06:40:06李宇飛
大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 2014年5期 關(guān)鍵詞：測(cè)量實(shí)驗(yàn)
陳 新，陳 龍，李宇飛，王 珊
(上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620)
電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得各行各業(yè)的工作方式出現(xiàn)了翻天覆地的變化，在物理學(xué)方面，電子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力以及布爾代數(shù)系統(tǒng)，使得用電子計(jì)算機(jī)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)儀器的信號(hào)采樣及計(jì)算成為可能。利用美國(guó)PASCO公司傳感器熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的各種傳感器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集接口，配以專用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集軟件，對(duì)低溫?zé)彷椛鋵?shí)驗(yàn)進(jìn)行研究［1-3］。
1 PASCO傳感器熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量方法
PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由TD-8580A型腔體熱輻射儀、CI-6552A型功率發(fā)生器、CI-6527A型熱敏電阻傳感器、CI-6628型紅外光傳感器、CI-6538型轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器及其線性運(yùn)動(dòng)附件、60厘米光學(xué)導(dǎo)軌、光闌底架、750型接口、計(jì)算機(jī)和Datastudio軟件等部分組成［1］。
PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量裝置俯視圖如圖1所示:將裝有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器的線性運(yùn)動(dòng)附件安置在光軌的一端，將安裝了光闌底架的紅外光傳感器插于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器上的夾槽中。把腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀安裝在光軌上。調(diào)整紅外光傳感器的高度，使之與腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀上腔體中心高度相匹配。實(shí)驗(yàn)中，腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀上加熱的鋁立方腔體可以360度旋轉(zhuǎn)，立方腔體與紅外光傳感器之間距離可以調(diào)節(jié)改變，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器帶動(dòng)紅外光感應(yīng)器可以沿著線性運(yùn)動(dòng)附件方向掃描過(guò)立方體的一個(gè)側(cè)面。
圖1 PASCO熱輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量裝置俯視圖
2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析
2.1 加熱的鋁立方腔體四個(gè)不同側(cè)面的紅外輻射情況
旋轉(zhuǎn)腔體熱輻射實(shí)驗(yàn)儀上加熱的鋁立方腔體，使之四個(gè)不同的側(cè)面分別面對(duì)紅外光傳感器，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器帶動(dòng)紅外光感應(yīng)器可以沿著線性運(yùn)動(dòng)附件方向掃描過(guò)立方體的一個(gè)側(cè)面，比較不同側(cè)面的紅外輻射情況。
圖2 鋁立方腔體四個(gè)不同側(cè)面的紅外輻射情況
圖2中縱坐標(biāo)表示紅外光傳感器測(cè)量的光強(qiáng)大小(%)，橫坐標(biāo)表示紅外光傳感器沿著線性運(yùn)動(dòng)附件方向掃描過(guò)立方體的一個(gè)側(cè)面的相對(duì)位置(m)。由圖可見在相同溫度下，鋁四方腔體四個(gè)不同側(cè)面的紅外光強(qiáng)的比較中，黑面的熱輻射量最大，白面和洞磨砂鋁面次之，拋光鋁面最小，其中的洞磨砂鋁面的中心有一個(gè)小洞，熱輻射在此點(diǎn)達(dá)到極大值，可以看出，熱輻射在有洞的一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)有聚集效應(yīng)。
2.2 鋁立方腔體溫度、相對(duì)位置對(duì)紅外輻射的影響
改變鋁立方腔體的溫度，測(cè)量不同溫度下鋁立方腔體輻射量最多的黑色表面的紅外熱輻射情況。溫度變化范圍為40℃ －70℃。
圖3和圖4中I表示紅外光傳感器測(cè)量的光強(qiáng)大小(%)，X表示紅外光傳感器沿著線性運(yùn)動(dòng)附件方向掃描過(guò)立方體的一個(gè)側(cè)面的相對(duì)位置(m)，T表示測(cè)量時(shí)立方腔體的溫度(℃)。可以明顯看出，隨著X也就是相對(duì)位置的變化，紅外熱輻射的光強(qiáng)變化呈現(xiàn)先增大后減小的圖線，明顯看出紅外光傳感器正對(duì)立方腔體中心位置時(shí)紅外光強(qiáng)最強(qiáng)，并且曲線相對(duì)中心位置呈現(xiàn)左右對(duì)稱的趨勢(shì)。隨著溫度T的升高，整個(gè)I-X曲線的形狀不變，但采集到的光強(qiáng)隨溫度升高而升高。
圖3 溫度、相對(duì)位置與紅外光強(qiáng)的數(shù)據(jù)云圖
圖4 溫度、相對(duì)位置與紅外光強(qiáng)的三維立體圖
2.3 立方腔體與紅外光傳感器之間距離及相對(duì)位置對(duì)紅外輻射的影響
改變立方腔體與紅外光傳感器之間距離，測(cè)量不同距離下鋁立方腔體輻射量最多的黑色表面的紅外熱輻射情況。
圖5 距離、相對(duì)位置與紅外光強(qiáng)的數(shù)據(jù)云圖
圖6 距離、相對(duì)位置與紅外光強(qiáng)的三維立體圖
圖5和圖6中I表示紅外光傳感器測(cè)量的光強(qiáng)大小(%)，X表示紅外光傳感器沿著線性運(yùn)動(dòng)附件方向掃描過(guò)立方體的一個(gè)側(cè)面的相對(duì)位置(m)，Y表示測(cè)量時(shí)立方腔體正對(duì)紅外光傳感器時(shí)兩者之間距離(m)?？梢悦黠@看出，隨著距離Y的增大，整個(gè)I-X曲線的形狀保持不變，但采集到的光強(qiáng)會(huì)隨距離的增大而逐漸減小。圖6更直觀地顯示出距離熱源立方腔體0.14 m*0.18 m整個(gè)面積內(nèi)熱輻射量在整個(gè)空間的分布情況。
3 結(jié) 論
通過(guò)對(duì)低溫?zé)彷椛鋵?shí)驗(yàn)中加熱的立方腔體的表面特性、溫度、距離、相對(duì)位置等主要影響因素的研究，發(fā)現(xiàn)在相同溫度下，鋁四方腔體四個(gè)不同側(cè)面的紅外光強(qiáng)的比較中，黑面的熱輻射量最大，白面和洞磨砂鋁面次之，拋光鋁面最小，其中的洞磨砂鋁面的中心有一個(gè)小洞，熱輻射在此點(diǎn)達(dá)到極大值，可以看出，熱輻射在有洞的一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)有聚集效應(yīng);熱源呈對(duì)稱的幾何形狀時(shí)，其掃描過(guò)整個(gè)熱源區(qū)域的熱輻射曲線也相對(duì)其中心位置呈對(duì)稱分布;熱輻射紅外光強(qiáng)會(huì)隨著熱源溫度的升高而增大;離熱源越近，熱輻射紅外光強(qiáng)越高，隨著離熱源距離的增加，熱輻射紅外光強(qiáng)會(huì)逐漸減小。
［1］王珊.電腦控制熱輻射實(shí)驗(yàn)的拓展［J］.科技資訊，2012(30):3.
［2］李偉斌，熊永紅.熱輻射基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2003(1):9-17.
［3］唐麗華.基于PASCO平臺(tái)的溫度信息采集［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26(5).
［4］鄒元奕，王瑩.外力驅(qū)動(dòng)的混沌擺實(shí)驗(yàn)儀在研究混沌效用上的應(yīng)用［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013(4):13-15.
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