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1、第二部分 基本实验技术,随着电子技术的飞速发展，在物理化学实验中使用的电子仪器数量正日益增加，最常用的电子仪器有各种交、直流电源，电子继电器，各种类型的自动记录和控制仪表等。为了更深入、广泛的了解电子仪器的原理，并能正确的使用，首先介绍一些电子技术的基本知识。,一、电子元件,包括电阻、电容、电感、电子管、晶体管等。下面主要介绍一下电子管和晶体管的结构和在电路中的作用：,电子管的构造和原理,电子二极管的构造和原理。电子二极管分为直热式和间热式两种。,直热式,间热式,电子三极管的构造。二极管的两极间加入栅极就成为三极管。栅极由金属丝绕成螺旋形或制成网形围绕着阴极，栅丝之间留有空隙，可以使电子通过奔
2、向阳极。,原理：在三极管中 IA 同时决定于阳极电压VA 和栅极电压 VG ，即 IA = f ( VA , VG ) 。通过调节栅压达到控制阳极电流的目的，由于栅极离阴极较近，栅压的微小变化就可以引起阳极电流较大的变化，所以三极管有放大的作用。,晶体管的构造和控制原理,晶体二极管：用一定的工艺手段，在一块半导体材料上一边做成N型、一边做成P型，形成一个PN结，加上相应的电极引线及管壳封装，就成为晶体二极管。,晶体二极管的伏安特性曲线：,非线性、单向导电性、正向压降小、反向击穿,用途：利用单向导电性作整流元件，利用击穿性作稳压管。,晶体三极管：是一种具有两个 PN 结的半导体器件。在一块半导体
3、基片上，用一定的工艺方法形成两个 PN 结，分为 PNP 型和 NPN 型两种,两种类型的晶体三极管控制原理相同，这里以 NPN 型为例讨论。,结论：Ie=Ic+Ib由于Ib 很小，故IcIe 。 Ib 的少量变化引起Ic 的较大变化，即放大作 用。 Ic 与Ib 的比值称为 晶体管放大系数 。 必须在外电路中接电源Ec 和Eb 并使集电结反向偏置，发射结正向偏置。,三极管的伏安特性曲线分为两组：一组是输入特性曲线；一组是输出特性曲线。,输入曲线表示晶体管输入电流和输入电压的关系。,输出曲线表示晶体管输出电流和输出电压的关系。分为三个区：放大区：位于Ib=0与Ic 近乎直线上升的部分之间。截止
4、区：Ib=0以下的区域。饱和区：特性曲线上左边陡直的部分。,晶体管与电子管的区别：,相同点：二者都可以用于整流、放大、反馈、振荡等电路。,不同点：晶体管是电流控制元件，它的集电极电流受基极电流控制，它的电流传输是靠半导体内的载流子的运动。 电子管是电压控制元件，它的阳极电流受栅极电压控制，其电流传输是靠电子管的阴极发射电子。栅极电压越负，阳极电流越小，栅极电压的微小变化就足以引起阳极电流较大的变化。,二、温度的测量和控制,、温度的测量,1、温标：温度的数值表示法称为温标,、摄氏温标：单位是oC，符号是t 。,、华氏温标：单位是oF，符号是tF 。换算：,、热力学温标：单位是K，符号是T。换算：
5、,、国际实用温标：1927年开始使用,2、温度计,、水银玻璃温度计：按其用途、量程和精度，可分为普通水银温度计和精密水银温度计。,引起水银温度计误差的因素： 温度计的玻璃球受温度和时间的影响发生改变。 全浸式温度计使用时部分浸没在介质中，需要进行露茎校正。 压力对温度计的影响。57mm的水银球，压力系数为每1大气压0.1 oC。,温度计的校正：,仪器本身的刻度校正（零点校正）。 露茎校正,tC体系内的正常温度 t测量温度计读数 to辅助温度计读数 水银对玻璃的相对膨胀系数 =0.00016 L水银露出体系外的长度,3、贝克曼温度计,用途：测量温度的细小变化。构造如图,4、热电偶温度计,由热电偶
6、及测量仪器两部分组成，其间用导线连接，测量范围为-200 oC1300 oC。,温度计构造原理：两种金属A、B导体构成一个回路，两个端点1、2的温度不同则回路内产生电势差，并随温差增大而增大，这个电势差称为温度电势或热电势。金属A、B称为电偶丝，它们的组合称为热电偶。利用这一原理制成的温度计称为热电偶温度计。,温度计的连接方式及工作原理,在两端点间接入电势测定仪，把热电偶一端固定于某一温度（一般为0 oC，成为冷端），则产生的热电势就是另一端（热端）温度的单值函数，E=f (T)，因而用于测量温度。,5、电阻温度计,、温度的控制,恒温控制的原理分为两类：一类是利用物质的相变点温度来获得恒温条件
7、的；另一类是利用电子调节系统对加热器或制冷器的工作状态进行自动调整，石碑空对象处于设定的恒温温度下。,电子调节系统的工作原理：从原理上讲，一般分为三个基本部件，即变换器、电子调节器、执行机构。,变换器：功能是将被控对象的温度信号变换成某种电信号。,电子调节器：把来自变换器的电信号进行测量、比较、放大、运算，最后发出没偶种形式的电指令，使执行机构进行加热或制冷。,执行机构：指各种电加热器和半导体制冷器。,电子调节系统按其自动调节规律分为断续式两位置控制和比例积分微分控制两种。,断续式两位置控制：加热器在继电器的驱动下，只有断续两个工作状态，只要继电器触点闭合，加热器就以固定的加热功率工作。特点是
8、结构简单，但控温精度差。,比例积分微分控制：按照偏差信号的变化规律，自动地调节通过加热器的电流。当偏差信号很大时，加热电流也很大；当偏差信号逐渐减小时，加热电流会按比例作相应的降低。当达到设定温度时仍能保持一定的加热电流，保持体系与环境之间的热平衡。一般用于精密温度控制。,实验室常用的几种温度控制仪的构造与控温原理。,1、恒温槽的构造,恒温槽一般由容器与恒温介质、搅拌器、温度计、加热器、温度调节器和继电器组成。,容器与恒温介质：容器用于贮存恒温介质，可以是玻璃缸或金属槽，恒温介质是受其他部件控制而恒定在一定温度区间的一种流体，进而控制被研究体系的温度。应具有热容大、化学惰性集流动性良好的特点。
9、,搅拌器：由一个微型电机和一根搅拌棒构成。电功率大小视恒温槽大小及周围环境而定。,温度计：温度计的精密程度可根据实验而定，但须与恒温槽的精度相匹配。,加热器：加热器的作用是提高恒温介质的温度或补偿恒温介质传递给环境的热损失。通常用电加热器，精度与恒温槽匹配。,温度调节器（感温元件）：实验室常用的温度调节器称为水银接点温度计或称为定温计。,定温计结构与普通温度计相似,只是其中有一根可以由转动的磁铁A来使之升降的接触丝D及另一根与水银球相通的接触丝F,D、F连出的两根线接到继电器。,继电器：a.一般继电器,工作原理：当恒温槽达到所需温度时，定温计中水银面上升，D、F通路，电磁铁线圈中因有电流通过产
10、生磁场吸引横杆，使横杆左端向下、右端向上，电加热器电路切断。若温度降低，水银面下降，D、F断路，电磁铁磁性消失，横杆右端向下、左端向上，因而停止加热。,b.电子管继电器：它是利用定温计内电路的接通或断开来改变电子管的栅压，间接地改变电子管的电流，将继电器的控制线圈串联在阳极回路里，则继电器的衔铁亦随之跳动，达到控制加热的作用。,c.晶体管继电器：电子管继电器中的电子管为晶体管所取代就成为了晶体管继电器。它是利用定温计的通断而控制集电极电流，从而控制加热器的通断路，使恒温槽稳定在一定的温度。若晶体管偏流选择适当，磁开关灵敏，恒温精确度会很高。,加热器、电子继电器与温度调节器组成了恒温槽的温度调节
11、系统。这种系统属于断续式两位置控制系统。靠接点温度计的通、断来控制温度。但由于传热需要一定的时间，因而温度出现滞后现象。,a,b,c,d,具有a、b型的控温曲线的恒温槽，控制精度tE 可用下式表示：,t1 为温度波动的最高温度,t2 为温度波动的最低温度,2、温度指示控制仪,利用热敏电阻将温度变化转化为电性能的变化，通过测量电能的变化得出温度的变化。,高稳定性的热敏电阻在一定温度下电阻也是恒定的。当R3 RX 时，有Ui 输出，经放大器放大推动加热器工作，使R3 =RX ， Ui =0，从而停止加热，实现控温。,控制仪面板如图：左面表头指示实际温度，右面可调大键盘指示设定温度。,将仪器的热敏电
12、阻探头置于恒温槽或恒温水浴缸内，打开仪器开关，将右面大键盘指示线调到所需温度处，并对仪器进行校正，即可进行工作。,3、高温电阻炉,在高温控制方面，一般使用热电偶作为控温元件，热电偶具有结构简单、准确度高、测量范围宽、灵敏度好等特点。因此，广泛应用在高温炉的测温和控温系统中。,实验室常用的高温炉大致有两种控温系统,动圈式温度控制器,热电偶测温端放于电路炉膛内，将感知的温度信号变换为的电信号，通过动圈毫伏表指示出来，并控制电路的通断，从而达到控温的目的。,PID温度控制器,采用比例积分微分（PID）调节器，利用可控硅特性，使加热电流随偏差信号大小而作相应变化，提高了控温的精确度。,比例积分微分调节原理,比例调节,积分调节,积分调节,PID调节在系统闭合工作时过渡曲线,开始加温时，偏差较大，主要是比例、微分起作用，电流大、炉温上升快；逐渐接近设定值时，比例作用电流下,降，趋近于零，而积分作用的电流逐渐起作用，只要偏差存在，积分作用就会作用直至偏差为零，温度恒定。,
