張 莉， 張共寧， 袁丕方， 顧大偉， 張楷龍

(南京工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

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無機(jī)械磨損的金屬電子逸出功實(shí)驗(yàn)儀

張 莉， 張共寧， 袁丕方， 顧大偉， 張楷龍

(南京工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

將光電編碼器使用在金屬電子逸出功實(shí)驗(yàn)儀中，實(shí)現(xiàn)金屬電子逸出功儀器中電流電壓的無磨損調(diào)節(jié)。手動(dòng)旋轉(zhuǎn)光電編碼器，由此產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理， DA數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需要的直流高壓或電流。改裝后的金屬電子逸出功實(shí)驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)了電壓調(diào)節(jié)裝置的永久性使用而不產(chǎn)生機(jī)械磨損，不受環(huán)境溫度等因素的影響，克服了電位器帶來的各種弊端。結(jié)果顯示了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度的提高。

電壓調(diào)節(jié)； 光電編碼器； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

金屬電子逸出功的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，綜合性地應(yīng)用了直線測(cè)量法、外延法和補(bǔ)償測(cè)量法等多種基本實(shí)驗(yàn)方法,在數(shù)據(jù)處理方面有較好的基本訓(xùn)練[1-3]。在該實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要調(diào)節(jié)電流以控制燈絲溫度，調(diào)節(jié)陽極電壓來控制電場(chǎng)的強(qiáng)度。 在現(xiàn)有的金屬電子逸出功實(shí)驗(yàn)儀器中，電壓和電流的調(diào)節(jié)都是通過電位器進(jìn)行的，電位器由于大量、反復(fù)使用，容易產(chǎn)生觸點(diǎn)磨損，導(dǎo)致調(diào)節(jié)對(duì)象的不穩(wěn)定直至失調(diào)；電位器還會(huì)因?yàn)槌睗?、溫度等原因，?dǎo)致輸出電流電壓不穩(wěn)定或不精確。這些因素都會(huì)造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不穩(wěn)定，甚至無法正常使用，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有序進(jìn)行。

針對(duì)電位器使用中出現(xiàn)的弊端，本文提出采用基于光電編碼器結(jié)合單片機(jī)控制的直流高電壓升壓裝置和電流調(diào)節(jié)裝置來替代電位器，利用光電編碼器提供數(shù)字信號(hào),達(dá)到電壓、電流調(diào)節(jié)目的。除了可以消除電位器機(jī)械磨損帶來的弊端外，由于單片機(jī)具有自動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量精度，也提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的完好率。

1 裝置模塊結(jié)構(gòu)

本裝置主要包括：光電編碼器控制、89c52單片機(jī)、D/A控制信號(hào)輸出、TL494脈寬調(diào)制、Boost升壓電路、LM317穩(wěn)壓電路、A/D采樣輸入、LCD液晶顯示[4-6]。其中，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)光電編碼器、89c52對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的操作信號(hào)進(jìn)行處理，D/A芯片產(chǎn)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(yīng)的燈絲電流。TL494根據(jù)提供的控制電壓產(chǎn)生不同占空比的方波信號(hào)，Boost升壓電路根據(jù)這些方波信號(hào)產(chǎn)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(cè)量的量，反饋給89c52單片機(jī)，89c52進(jìn)行處理提供給LCD液晶顯示器進(jìn)行信息顯示[7-9]。

在金屬電子逸出功實(shí)驗(yàn)儀中利用光電編碼器調(diào)節(jié)電壓的功能模塊見圖1。其中，編碼器1、2模塊給STC89C52單片機(jī)提供實(shí)驗(yàn)操作人員的控制信號(hào)，單片機(jī)將兩路控制信號(hào)的大小和方向加以識(shí)別，轉(zhuǎn)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(duì)金屬燈絲模塊的燈絲電流以及陽極電壓進(jìn)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(shù)，通過發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將相關(guān)的信息發(fā)送給LCD顯示模塊加以顯示。

圖1 裝置的整體結(jié)構(gòu)圖

2 光電編碼器實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)工作原理

光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，由光柵盤和光電檢測(cè)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(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕同軸，轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕的轉(zhuǎn)速[10-12]。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤提供相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)。 當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°；當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(hào)，當(dāng)下降沿觸發(fā)使讀取波形B的高低電平判斷光電編碼旋轉(zhuǎn)的方向，裝置通過單片機(jī)P31口讀取Q端口電平用來判斷編碼器旋轉(zhuǎn)方向，通過計(jì)數(shù)算脈沖個(gè)數(shù)來測(cè)量旋轉(zhuǎn)力度。

圖2 光電編碼器的旋轉(zhuǎn)

3 光電編碼器實(shí)際電路

光電編碼器實(shí)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(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，U8-TL494脈寬調(diào)制芯片，U10、U11-光電編碼器，U12-A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，S1-STC89C52復(fù)位開關(guān)

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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)旋轉(zhuǎn)光電編碼器，由此產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)的處理，經(jīng)DA數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生0～4.096 V的電壓，控制TL494產(chǎn)生不同的脈寬，通過Boost電路即可升壓，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)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(dòng)旋轉(zhuǎn)光電編碼器，由此產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)的處理，經(jīng)DA數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)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(chǎn)生實(shí)驗(yàn)需要的燈絲電流。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

用安裝了無磨損電壓調(diào)節(jié)裝置的金屬電子逸出功實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再利用直線測(cè)量法、外延法和補(bǔ)償測(cè)量等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[13-14]，最終結(jié)果如表1～3所示。經(jīng)過計(jì)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(rèn)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(guān)系

表3 燈絲溫度T—lg I—lg(I/T2)—1/T的關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)使用光電編碼器代替電位器，編碼器在調(diào)節(jié)的過程中幾乎沒有機(jī)械磨損，保證了實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性和精度。

(2)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、脈寬調(diào)制電路、升壓電路配合可實(shí)現(xiàn)輸出高電壓的自動(dòng)穩(wěn)定。具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

(3)采用12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓20～500 V精度0.5 V的調(diào)節(jié)，可以根據(jù)用戶的需求，選擇更高位數(shù)的模轉(zhuǎn)換芯片,實(shí)現(xiàn)更高精度的電壓輸出調(diào)節(jié)。

(4) 體積小，便于用戶安裝,實(shí)用性強(qiáng)，能夠應(yīng)用在高校物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)都需要直流高電壓的調(diào)節(jié)，提高教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可靠性、大大減少設(shè)備的損壞率、降低設(shè)備的維修成本。

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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(xiàn)主要從事大學(xué)物理和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和研究。

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

TP 211+.1；O 4-33

A

1006-7167(2015)11-0071-03