无机械磨损的金属电子逸出功实验仪

张 莉， 张共宁， 袁丕方， 顾大伟， 张楷龙

(南京工业大学 理学院， 江苏 南京 211816)



无机械磨损的金属电子逸出功实验仪

张 莉， 张共宁， 袁丕方， 顾大伟， 张楷龙

(南京工业大学 理学院， 江苏 南京 211816)

将光电编码器使用在金属电子逸出功实验仪中，实现金属电子逸出功仪器中电流电压的无磨损调节。手动旋转光电编码器，由此产生控制信号，经单片机处理， DA数模转换，产生实验所需要的直流高压或电流。改装后的金属电子逸出功实验仪实现了电压调节装置的永久性使用而不产生机械磨损，不受环境温度等因素的影响，克服了电位器带来的各种弊端。结果显示了实验数据精度的提高。

电压调节； 光电编码器； 实验教学

0 引 言

金属电子逸出功的测定实验，综合性地应用了直线测量法、外延法和补偿测量法等多种基本实验方法,在数据处理方面有较好的基本训练[1-3]。在该实验过程中，学生需要调节电流以控制灯丝温度，调节阳极电压来控制电场的强度。 在现有的金属电子逸出功实验仪器中，电压和电流的调节都是通过电位器进行的，电位器由于大量、反复使用，容易产生触点磨损，导致调节对象的不稳定直至失调；电位器还会因为潮湿、温度等原因，导致输出电流电压不稳定或不精确。这些因素都会造成实验设备的不稳定，甚至无法正常使用，影响实验教学的有序进行。

针对电位器使用中出现的弊端，本文提出采用基于光电编码器结合单片机控制的直流高电压升压装置和电流调节装置来替代电位器，利用光电编码器提供数字信号,达到电压、电流调节目的。除了可以消除电位器机械磨损带来的弊端外，由于单片机具有自动控制的能力，还可以输出高精度的直流高电压，从而提高了实验装置的测量精度，也提高了实验设备的完好率。

1 装置模块结构

本装置主要包括：光电编码器控制、89c52单片机、D/A控制信号输出、TL494脉宽调制、Boost升压电路、LM317稳压电路、A/D采样输入、LCD液晶显示[4-6]。其中，手动旋转光电编码器、89c52对实验人员的操作信号进行处理，D/A芯片产生模拟控制电压，模拟电压分别提供给TL494和LM317。LM317电路通过提供的不同电压生成相应的灯丝电流。TL494根据提供的控制电压产生不同占空比的方波信号，Boost升压电路根据这些方波信号产生提升的阳极电压。A/D采样电路同过分压等方式采集需要测量的量，反馈给89c52单片机，89c52进行处理提供给LCD液晶显示器进行信息显示[7-9]。

在金属电子逸出功实验仪中利用光电编码器调节电压的功能模块见图1。其中，编码器1、2模块给STC89C52单片机提供实验操作人员的控制信号，单片机将两路控制信号的大小和方向加以识别，转换成灯丝电流输出模块和阳极电压输出模块所需要的控制量，分别对金属灯丝模块的灯丝电流以及阳极电压进行控制。金属灯丝模块中的灯丝电流、阳极电压和阳极电流等参数，通过发送给单片机，单片机将相关的信息发送给LCD显示模块加以显示。

图1 装置的整体结构图

2 光电编码器实现电压调节工作原理

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与转动旋钮同轴，转动旋钮旋转时，光栅盘与转动旋钮同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前转动旋钮的转速[10-12]。此外，为判断旋转方向，码盘提供相位相差90°的两路脉冲信号。 当光电编码器顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B输出波形90°；当光电编码器逆时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90°(见图2)。

以波形A为中断信号，当下降沿触发使读取波形B的高低电平判断光电编码旋转的方向，装置通过单片机P31口读取Q端口电平用来判断编码器旋转方向，通过计数算脉冲个数来测量旋转力度。

图2 光电编码器的旋转

3 光电编码器实际电路

光电编码器实际电路如图3所示。

U1-金属钨丝灯泡， U2-LCD显示，U3-LM317，U4-STC89C52芯片，U5-LM358放大器芯片，U6-INA117差分放大器，U7-D/A数模转换芯片，U8-TL494脉宽调制芯片，U10、U11-光电编码器，U12-A/D模数转换芯片，S1-STC89C52复位开关

编码器1模块由编码器1 U10、上拉电阻R13、R14组成。其中编码器1的A路通过电阻R13与+5 V电源连接，同时与STC89C52芯片的P32连接。编码器的B路通过电阻R14与+5 V电源连接，同时与STC89C52芯片的P36连接。

编码器2模块由编码器2 U11、上拉电阻R15、R16组成。其中编码器2的A路通过电阻R15与+5 V电源连接，同时与STC89C52芯片的P33连接。编码器的B路通过电阻R16与+5 V电源连接，同时与STC89C52芯片的P37连接。

光电编码器控制阳极电压的具体方法:手动旋转光电编码器，由此产生的控制信号经过单片机的处理，经DA数模转换，产生0～4.096 V的电压，控制TL494产生不同的脉宽，通过Boost电路即可升压，产生实验所需要的直流高压。

光电编码器控制灯丝电流的具体方法：手动旋转光电编码器，由此产生的信号经过单片机的处理，经DA数模转换，产生0～4.096 V电压。通过LM358将电压放大3倍，用电压来控制LM317产生实验需要的灯丝电流。

4 实验数据及结果

用安装了无磨损电压调节装置的金属电子逸出功实验仪进行本实验，得到实验数据，再利用直线测量法、外延法和补偿测量等方法进行数据处理[13-14]，最终结果如表1～3所示。经过计算：直线斜率m=-2.188×104, 逸出功eψ=4.34 eV。金属电子逸出功的公认值为eψ=4.54 eV。

表1 灯丝电流(If)—阳极电压(Ua)—阳极电流(Ia)

表2 灯丝温度的关系

表3 灯丝温度T—lg I—lg(I/T2)—1/T的关系

5 结 论

(1)使用光电编码器代替电位器，编码器在调节的过程中几乎没有机械磨损，保证了实验装置的稳定性和精度。

(2)采用数模转换电路、脉宽调制电路、升压电路配合可实现输出高电压的自动稳定。具有较高的稳定性和可靠性。

(3)采用12位数模转换芯片和16位模数转换芯片，实现了输出电压20～500 V精度0.5 V的调节，可以根据用户的需求，选择更高位数的模转换芯片,实现更高精度的电压输出调节。

(4) 体积小，便于用户安装,实用性强，能够应用在高校物理实验装置中有直流高电压的地方，例如金属电子逸出功、密立根油滴、夫兰克-赫兹等实验都需要直流高电压的调节，提高教学实验设备的可靠性、大大减少设备的损坏率、降低设备的维修成本。

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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

张 莉(1977-)，女，江苏泰州人，讲师，现主要从事大学物理和大学物理实验的教学和研究。

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

TP 211+.1；O 4-33

A

1006-7167(2015)11-0071-03