基于仿真实验云平台热敏电阻温度特性教学研究

史悦 孙培育 梁振宇

摘  要：热敏电阻温度特性在应用领域具有广阔发展前景。然而，受到仪器设备、时间空间等方面的限制，使用真实的实验设备可能会影响正常授课。基于仿真实验云平台进行热敏电阻温度特性实验，可以节约设备购买及维护费用，同时方便学生自主进行物理实验，不受时间地点的约束，采用仿真实验云平台作为辅助教学的有效手段，可以有效地提高教学质量。

关键词：热敏电阻温度特性;仿真实验云平台;辅助教学

中图分类号：TP391.9;TN37      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）24-0043-03

Teaching Research on Temperature Characteristic of Thermistor Based on Simulation Experimental Cloud Platform

SHI Yue，SUN Peiyu，LIANG Zhenyu

（Civil Aviation Flight University of China，Guanghan  618307，China）

Abstract：The temperature characteristic of thermistor has a broad development prospect in the application field. However，due to the limitation of the following aspects such as instrument and equipment，time and space etc，the adoption of real experimental equipments may have an influence in normal teaching. Conducting the experiment of thermistor temperature characteristic based on simulation experimental cloud platform can save the cost of equipment purchase and maintenance，and at the same time，it is convenient for students to carry out physical experiments independently without the limitation of time and place. Using the simulation experimental cloud platform as an effective method on auxiliary teaching，it can effectively improve the teaching quality.

Keywords：temperature characteristic of thermistor;simulation experimental cloud platform;auxiliary teaching

0  引  言

热敏电阻属于一种对温度极为敏感的元件，构成的材质一般为半导体[1]。热敏电阻相比其他温度传感器的优势有很多，首先，它的灵敏度很高，可以分辨出10-6 ℃数量级范围内的温度变化，其次，它的体积可以做得很小，能放置到微小的缝隙、空腔甚至血管内测量温度，并且它的稳定性极好，加工成本便宜，可以大批量生产，已广泛地应用于各种科研及生活领域[2，3]。因此，对热敏电阻温度特性的基础研究具有重要的实用价值。为了节省购买和维护实验设备的费用，已经有很多关于使用Matlab、Origin等科研软件对热敏电阻特性进行模拟实验的案例[4-6]，而我校使用的安徽省科大奥锐科技有限公司提供的仿真實验云平台可以不受教学实验场地和学生实验时间的约束，更直观逼真地进行物理实验云操作，观察实验现象，得出实验结论，从而有效地提高教学质量[7-9]。

1  仿真实验云平台教学

仿真实验云平台是仿真实验与云相结合：仿真实验是对实验仪器及各种仪器之间交互使用的模拟实验，云是线上活动。仅需一台可以连接外部网络的计算机，学生就可以在任何时间任何地点进行线上实验。利用仿真实验云平台进行教学活动大体上分为两种方式：第一种是纯线上教学，第二种是采用线上线下相结合的方式进行教学活动。

1.1  线上教学

在特殊情况下，比如新冠肺炎疫情期间，学生无法到达学校进行线下的相关实验课程操作，而只能采取居家的方式来学习相关课程。但是，相较于其他课程，实验课程需要操作仪器、观察实验现象和得出实验数据等的特殊性。居家情况下，学生没有相关的实验仪器而无法进行实验课程的学习。因而，实验课程必须找到可以替代线下仪器的方法，同时，考虑到无法近距离面对面地进行教学活动的情况，而采取纯线上的方式进行课程的学习，仿真实验云平台是一种很好的解决方法。仿真实验云平台较好地模拟了实验仪器及各种仪器之间的交互使用，同时，学生可以线上多次进行实验课程的操作和学习。通过仿真云实验，学生可以更直观地观察到实验现象、学习物理实验的操作及定量描述物理实验结果，从而更加深入地了解实验的原理及实验相关仪器的操作。作为特殊情况下的教学方式，仿真实验云平台能够保证教学任务较好地完成。

1.2  线上线下相结合

一般在非特殊的情况下，仿真实验云平台也可以作为一种辅助教学的手段。教学活动同时采用线上以及线下相结合的方式，分为课上和课后。课上，学生可以先在传统的教学场所中进行学习，教师线下讲授实验原理、讲解仪器操作并辅助学生完成实验操作;课后，学生可以自主便捷地通过仿真实验云平台进行线上实验来巩固所学到的知识。仿真实验云平台对实验仪器的模拟十分细致逼真，让学生仿佛身临其境，同时还不会受到仪器损耗、使用寿命的影响，以及教学场所等时空的限制。学生在线上做完实验可以立即看到自己的成绩以及哪里的实验操作存在错误，通过一系列对学生实验成绩的评估发现，仿真实验云平台作为辅助教学的手段取得了良好的效果。

2  仿真平台教学案例

2.1  热敏电阻温度特性实验原理

2.1.1  热敏电阻原理

热敏电阻属于半导体器件中对温度极为敏感的元件，其电阻值会随着微小的温度变化而产生微小的波动。热敏电阻分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。正温度系数热敏电阻器（PTC）的阻值随温度升高而增大，而负温度系数热敏电阻器（NTC）的阻值随温度升高而减小。热敏电阻的电阻值与温度存在以下的函数关系：

Rt=                              （1）

其中，Rt为温度是T时的电阻值，A为常数，Bn为半导体材料有关的常数。T为绝对温度。绝对温度T是通过实验中测量的摄式温度t转化而来，转化关系为T=273+t。

2.1.2  电路设计原理

测量热敏电阻的温度特性，主要是测量不同温度情况下的电阻值。热敏电阻值采用惠斯通电桥电路来测量，如图1所示。

惠斯通电桥是一种直流单臂电桥，它是由四个电阻组成的四方形闭合电路。当电桥平衡时，A和B两端的电压相等，C和D两端的电势相等，此时，检流计两端的电势差为零，它的示数为零。当电桥处于平衡状态时，四个电阻之间的关系为：

Rx=                                 （2）

其中，Rx为待测电阻，R1，R2，R0均为电路中的电阻，其电阻值均为已知量，R1/R2称为R0的倍率。当采用惠斯通电桥来测量电阻值时，一般令R1=R2，即R0的倍率为1，从而使得待测电阻值Rx与调节电路平衡时的电阻值示数R0相等。

根据实验原理，热敏电阻值与温度呈指数关系，取对数后即为线性关系。即惠斯通电桥测量的电阻值与温度数据取对数后呈线性关系，线性拟合后直线斜率即为热敏材料常量Bn。热敏材料常数Bn值可以反映热敏电阻的温度特性。

2.2  基于仿真云平台的热敏电阻温度特性研究

首先进入仿真实验云平台，选择热学实验列表下的热敏电阻温度特性实验。实验界面如图2所示，热敏电阻测温实验的装置主要包括：自耦调压器、热敏电阻、温度计和箱式直流电桥等。

2.2.1  热敏电阻的温度特性

根据热敏电阻的温度特性的实验原理连接电路图，如图3所示。将实验所需的线路连接好，首先，调节箱式直流电桥。旋转倍率开关，选择合适的倍率，将倍率调整为1，从而使得热敏电阻的电阻值与电阻箱的示数相同。为了便于电阻值的调节和测量，需要先调整电阻值为1 000 Ω，然后对箱式直流电桥的检流计进行校准。通过调整调零旋钮，使检流计的指针指向零刻度，此时检流计的调零完毕。

然后，测量热敏电阻的阻值。调整自耦调压器，选择合适的电压值来对温度计进行加热。观察温度计的示数，同时调整箱式直流电桥。当温度计示数到达所要测量的温度附近时，调整箱式直流电桥上的电阻值，使电桥稳定地处于平衡状态附近。如图4所示，双击鼠标左键后，会在图中显示箱式直流电桥的详细情况，先用鼠标右键按下B按钮，打开电桥箱电源;再由高位到低位的顺序依次调整箱式直流电桥的电阻值，直到按下箱式直流电桥的G按钮，指针指向示数0且无偏转，即为调整完毕，此时的电桥达到平衡，对应的示数即为温度t时，热敏电阻的阻值Rt。

2.2.2  计算热敏电阻的材料常数

观察温度计的示数，分别在20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、

40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃、80 ℃和85 ℃时，调整箱式直流电桥电阻值使电桥不断维持在平衡附近，并记录下电桥平衡时，箱式直流电桥对应的电阻值;然后，调整自耦调压器电压为0 V，观察降温时对应温度的箱式直流电桥平衡时的电阻值。将记录升温和降温时两次的电阻值进行累加求和再平均，其平均值即为热敏电阻值Rt。利用热敏电阻值和绝对温度的原理计算材料常数Bn。由图5可知，热敏电阻值随温度的增加而逐渐减小，且两者呈e 指数型衰减关系，说明此材料为负温度系数热敏电阻（NTC）。两者取对数后呈线性关系，相关系数高达99.9%，直线的斜率就是热敏电阻的材料常数，数值约为11.42。

3  结  论

由热敏电阻温度特性原理制成的光电器件的广泛应用，使得热敏电阻温度特性研究在应用领域具有广阔的前景。因此，深入研究热敏电阻的温度特性是十分有必要的。然而，由于仪器设备、时间空间等多方面因素的限制，采用传统的教学方式进行实验学习会受到一定的影响。虚拟仿真实验是对传统授课方式的一种补充，仿真实验云平台是一种基于实验的云平台，学生可以在线上重复地进行实验学习而不受到实验仪器和空间场地的影响。采用仿真实验云平台作为辅助教学的手段，可以有效地提高教学的质量。

参考文献：

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[3] 邱淑荣，许磊.基于热敏电阻温度特性的拓展实验系列研究 [J].大学物理，2004（8）：45-47.

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[8] 官鑫，刘建成.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议 [J/OL].中文科技期刊数据库（全文版）教育科学，2012（12）：240（2016-12-13）.http：//www.cqvip.com/QK/72176X/201612/epub1000000566482.html.

[9] 陈国辉，刘有才，刘士军，等.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设 [J].实验室研究与探索，2015，34（8）：169-172+185.

作者简介：史悦（1992—），女，汉族，四川成都人，助教，硕士，研究方向：大學物理实验教学、大气探测;孙培育（1991

—），男，汉族，四川成都人，讲师，博士，研究方向：激光雷达大气探测;梁振宇（1992—），男，汉族，四川成都人，助教，硕士，研究方向：大学物理实验教学、有限元分析。