毛愛(ài)華+黃宣銘+李國(guó)峰+趙存虎

摘要：創(chuàng)新能力是民族進(jìn)步的靈魂、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力。大學(xué)生科技制作是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的一種有效途徑[1]。通過(guò)液晶數(shù)顯炒鍋的構(gòu)思、制作方案的設(shè)計(jì)、制作材料的遴選、作品安裝調(diào)試等關(guān)鍵步驟，可以激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新潛能，可有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新能力；科技制作；數(shù)顯炒鍋

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）12-0104-02

21世紀(jì)世界的競(jìng)爭(zhēng)，主要是人才和科技的競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)要實(shí)現(xiàn)民族復(fù)興的偉大目標(biāo)，就必須培養(yǎng)出越來(lái)越多的高科技創(chuàng)新人才[2]。高等院校是培養(yǎng)未來(lái)所需人才的基地，為進(jìn)一步營(yíng)造校園科技創(chuàng)新氛圍，鼓勵(lì)支持學(xué)生開(kāi)展課外科技創(chuàng)新活動(dòng)，提升學(xué)生科學(xué)研究能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

一、制作液晶數(shù)顯炒鍋的思路

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是工科大學(xué)生必修的一門(mén)重要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，其中開(kāi)設(shè)有：液晶的電光效應(yīng)研究、溫度傳感器的溫度特性測(cè)量，溫差電偶的定標(biāo)和測(cè)溫三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生將這三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合到一起，將所學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到發(fā)明創(chuàng)新中，制作一件科技作品——液晶數(shù)顯炒鍋。制作目標(biāo)：不同的食材、不同的烹制方式所需要的溫度是不一樣的。生活中常用的識(shí)別油溫高低的方法是通過(guò)油表面生產(chǎn)的油煙多少以及用手感覺(jué)熱量來(lái)判斷的，這只能粗略估計(jì)油溫度，是不準(zhǔn)確的。新型的數(shù)顯炒鍋可用溫度傳感器測(cè)量溫度，溫差電偶產(chǎn)生的熱動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)液晶屏實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)顯示油溫的功能。

二、制作數(shù)顯炒鍋的知識(shí)準(zhǔn)備

制作數(shù)顯炒鍋要用到的關(guān)鍵電子器件：溫度傳感器、溫差電偶以及液晶屏，必須了解這三種器件的工作原理及特性參數(shù)，并思考如何將這三個(gè)器件有效地組裝在一起制作液晶數(shù)顯炒鍋，此過(guò)程是培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新思維的過(guò)程。

1.學(xué)習(xí)溫度傳感器的相關(guān)知識(shí)。閱讀大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材、網(wǎng)上查閱文獻(xiàn)、了解傳感器的原理、不同種類、使用范圍等，結(jié)合炒鍋的溫度特點(diǎn)，將NTC1K、PN結(jié)、PT100三種溫度傳感器作為備選材料，其中PT100溫度傳感器的測(cè)溫范圍在-200℃—650℃，具有線性好、耐高溫、響應(yīng)快、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)[3]，被作為重點(diǎn)測(cè)試材料；在各種溫度傳感器篩選過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力及獨(dú)立思考問(wèn)題的能力。

2.學(xué)習(xí)液晶材料的相關(guān)知識(shí)。了解液晶材料的分子結(jié)構(gòu)、物理特性及電光效應(yīng)原理、液晶板面構(gòu)成、顯示圖像原理、像素的概念、液晶屏閾值電壓值、不同液晶材料的應(yīng)用等等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)，能夠鞏固書(shū)本知識(shí)、擴(kuò)大知識(shí)面，做好自制前的準(zhǔn)備工作。

3.學(xué)習(xí)熱電偶的相關(guān)知識(shí)。查閱熱電偶的相關(guān)知識(shí)：熱電偶的基本原理是兩種不同成分的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。再通過(guò)測(cè)量?jī)x表就可以輕松地獲得熱電動(dòng)勢(shì)的值。需要了解熱電偶的種類、測(cè)溫范圍等知識(shí)，篩選適合制作數(shù)顯炒鍋的溫差熱電偶。

三、引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)液晶數(shù)顯炒鍋的制作方案

1.溫度傳感器的選材。在引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)液晶炒鍋的制作方案的過(guò)程中，恰當(dāng)?shù)靥岢鰡?wèn)題可以激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新欲望，例如：（1）炒鍋的使用溫度范圍？家庭烹飪時(shí)油溫是20℃—240℃左右，炒菜時(shí)溫度假如超過(guò)240℃，不僅會(huì)破壞大部分養(yǎng)分，并且還會(huì)產(chǎn)生許多對(duì)人體有害的物質(zhì)，制作炒鍋應(yīng)考慮到有的燃燒溫度可以達(dá)到600℃，應(yīng)采用較為寬泛的溫度范圍：20℃—600℃。（2）PT100鉑溫度傳感器、NTC1K溫度傳感器、PN結(jié)溫度傳感器哪種傳感器更加適合呢？實(shí)驗(yàn)測(cè)試作出三種溫度傳感器的溫度與阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外延，分析比對(duì)得知：NTC1K溫度傳感器、PN結(jié)溫度傳感器測(cè)溫范圍都達(dá)不到600℃，被淘汰；選擇PT100溫度傳感器比較適合，因?yàn)殂K電阻的測(cè)溫范圍在-220℃—650℃（特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，測(cè)量范圍大），PT100價(jià)格低廉，符合節(jié)約成本的要求。

2.溫差電偶的選材。學(xué)生要對(duì)不同的熱電偶進(jìn)行測(cè)試，測(cè)定溫差與熱電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系，才能選出最佳制作材料：（1）銅-康銅作為溫差電偶：實(shí)驗(yàn)測(cè)得熱動(dòng)計(jì)算可知溫差為400℃時(shí)△U=17.9mv，ΔT=-200℃—300℃范圍內(nèi)，在廉價(jià)金屬熱電偶中，它的準(zhǔn)確度最高、熱電極的均勻性好；它的使用溫度是-200℃—350℃，雖然靈敏度比較高，價(jià)格便宜，但炒鍋爆炒時(shí)食油燃燒溫度可達(dá)到600℃，銅-康銅熱電偶達(dá)不到要求，引導(dǎo)學(xué)生尋找高溫?zé)犭娕肌＃?）鉑銠10-鉑熱電偶：可以測(cè)0℃—1600℃范圍內(nèi)的流體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面等溫度。微分熱電勢(shì)較小，因而靈敏度較低；但由于銠是從粗鉑中分離出的新元素，比較昂貴，制作成本高，選擇材料要經(jīng)濟(jì)實(shí)用，排除鉑銠10-鉑熱電偶。（3）鎳鉻—康銅熱電偶：也是一種廉價(jià)金屬熱電偶，該熱電偶的使用溫度為-200℃—900℃。其最大特點(diǎn)是在常用的熱電偶中，其熱電勢(shì)最大，即靈敏度最高，宜制成熱電堆，可精確測(cè)量微小的溫度變化；溫差與熱電勢(shì)的參考數(shù)據(jù)ΔT=100℃時(shí)，△U=9.5mv；ΔT=200℃時(shí)，△U=16.4mv，ΔT=300℃時(shí)；△U=25.0mv；其還具有穩(wěn)定性好、抗氧化性能優(yōu)于銅-康銅、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，是適合我們制作炒鍋用的材料。

3.測(cè)定液晶材料的特性。學(xué)生測(cè)定TN型（或STN型）液晶光閥特性，實(shí)驗(yàn)得知：液晶閾值電壓在0.9—1.0v左右，只有熱電偶提供超過(guò)這么大的動(dòng)力，液晶分子才具有光電效應(yīng)，即炒鍋可以顯示溫度值的最低電壓值；一般情況下1.5v可以驅(qū)動(dòng)數(shù)顯電路的運(yùn)行，從這一點(diǎn)上，也可以看出液晶屏是很節(jié)能的。為了達(dá)到液晶所需的驅(qū)動(dòng)電壓，學(xué)生必須設(shè)計(jì)熱電偶的聯(lián)接方式、計(jì)算串聯(lián)所需的溫差電偶數(shù)量。我們選擇：外觀尺寸為1.5英寸、四段碼、工作溫度在0℃—600℃、正顯TN液晶屏。

四、數(shù)顯炒鍋組裝成型

數(shù)顯炒鍋鍋底為雙層復(fù)合型鍋底，內(nèi)部設(shè)置有鎳鉻-康銅溫差電偶測(cè)溫裝置，將鎳鉻-銅鉻熱電偶做成細(xì)絲狀（學(xué)生需事先計(jì)算出所需熱電偶的數(shù)量），設(shè)置方式為：將熱電偶以放射狀均勻埋置于鍋底，熱電偶的熱端均焊接在一起，置于復(fù)合鍋底的中心；另一端置于鍋沿的圓周上；熱電偶均以串聯(lián)方式聯(lián)接，可以起到熱電勢(shì)相加的效果，提供驅(qū)動(dòng)液晶屏電路工作1.5V伏特電壓；鍋底同時(shí)設(shè)有PT100溫度傳感器用于測(cè)量鍋底溫度；鍋的端柄設(shè)置有1.5英寸的四段碼正顯TN液晶屏，普通TTL接口，精度達(dá)到0.1℃，準(zhǔn)確顯示溫度值；鍋的端柄還裝有數(shù)據(jù)采集器，將溫度的變化轉(zhuǎn)變成電流的變化；炒鍋的端柄內(nèi)部裝有液晶屏的顯示電路及傳導(dǎo)線；端柄與不銹鋼鍋體間裝有隔熱層。數(shù)顯炒鍋的研制過(guò)程中有許多關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)：學(xué)生需要思考新型的炒鍋如何實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)顯示油溫？數(shù)顯炒鍋具有哪些功能？計(jì)算所需熱電偶的根數(shù)，連接的電路圖，畫(huà)出結(jié)構(gòu)示意圖；組裝調(diào)試過(guò)程中會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，解決制作中出現(xiàn)的問(wèn)題，可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，不斷地學(xué)習(xí)新知識(shí)；發(fā)揮學(xué)生的聰明才智，改進(jìn)完善設(shè)計(jì)，找到解決問(wèn)題的最佳方案，達(dá)到最佳效果。組裝的最終效果為：在鍋底安裝溫差電偶傳感器及溫度傳感器，在鍋把手柄上安裝液晶顯示屏電路。溫差電偶產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成溫度值，顯示在裝有液晶屏鍋的手柄上；火力不同，鍋溫不同，電信號(hào)不同，液晶屏可以時(shí)時(shí)顯示溫度值，一目了然。特點(diǎn)：在不用電的情況下，實(shí)現(xiàn)烹制食物過(guò)程中對(duì)溫度顯示的要求，炒鍋可在燃?xì)庠?、煤氣灶上使用，安全可靠?/p>

五、結(jié)束語(yǔ)

組織學(xué)生參與科技創(chuàng)新題目的設(shè)計(jì)與制作，培養(yǎng)了大學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，具有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，調(diào)動(dòng)了其他同學(xué)參與科技創(chuàng)新活動(dòng)的積極性與主動(dòng)性，收到了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

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