【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及热辐射测量，尤其涉及一种测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置及方法。
技术介绍
1、黑体是一个理想化的物体，它能够吸收外来的全部辐射，并且不会有任何的反射与透射。如果一个物体能够完全反射投射来的辐射，这种物体称为白体，也叫全反射体。斯忒藩-玻尔兹曼定律阐述了黑体表面单位面积辐射出的总功率与绝对温度的四次方成正比，首先由斯忒藩在1879年通过对实验数据的归纳总结得出，之后玻尔兹曼于1884年根据热力学理论推导出与斯忒藩的归纳结果相同的结论。斯忒藩-玻尔兹曼定律为热辐射的计算提供了基础，可以通过测量物体的辐射出射度来确定其表面温度，在热力学和热辐射研究中具有广泛的应用。
2、热传递的基本方式包括热对流、热传导和热辐射。其中，热对流遵循牛顿冷却定律，热传导遵循傅立叶定律，黑体的热辐射遵循斯忒藩-玻尔兹曼定律。在物理实验课程中，涉及到热辐射定量关系的实验项目较少，这就需要研制热辐射测量实验装置，帮助学生更好地对理解和掌握热辐射规律与理论知识。在黑体辐射测量实验中，由于不存在理想的黑体，所以必然会存在非热辐射方式的热能损失，这就给传统的黑体辐射实验带来了测量误差。目前，斯忒藩-玻尔兹曼定律中的斯忒藩-玻尔兹曼常数主要是通过理论推导的方式得到，而不是通过实验测量获得，而且该值常作为已知量给出。
3、因此，研制一种能有效减少实验中存在的非热辐射产生的系统误差，并能计算出斯忒藩-玻尔兹曼常数实验值的黑体辐射实验装置，对于学生理解黑体辐射规律很有实际意义。
技术实现思路>
1、本专利技术的目的在于解决上述问题，提供一种测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置及方法，方法简单，可操作性强，稳定性高，成本低，精度高，易于小型化，可以作为物理实验课程中的一个热辐射实验项目，让学生更好的了解黑体辐射实验规律，加深对斯忒藩-玻尔兹曼定律的理解。
2、为了实现上述目的，本专利技术的方案是：
3、本专利技术提供一种测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，该装置包括顺次相连的热辐射实验箱、数据采集处理箱、程序处理器、恒流稳压电源；所述热辐射实验箱包括基座以及沿轴向设置在所述基座上的作为黑体的黑色圆筒、作为全反射体的光滑圆筒，所述黑色圆筒和光滑圆筒上远离于所述基座的一端端面均开口、侧面均设置有电阻式温度传感器；所述基座上还设置有支架，所述支架上可拆卸地设置有加热柱，所述加热柱用于在实验时分别置于所述黑色圆筒和光滑圆筒内以对所述黑色圆筒和光滑圆筒加热；所述数据采集处理箱包括箱体以及设置在所述箱体上的盖体，所述箱体内集成有自动控制加热电路、两路温度信号采集电路、降压及供电电路和单片机；所述盖体上设置有液晶显示屏；其中，所述自动控制加热电路用于控制所述加热柱发热进而使所述黑色圆筒和光滑圆筒升温至目标温度；所述两路温度信号采集电路用于对所述电阻式温度传感器的电阻变化进行采集以计算出当前温度；所述降压及供电电路用于对所述恒流稳压电源进行降压稳压，以及为所有电路供电；所述单片机还连接有程序处理器，所述单片机用于根据所述自动控制加热电路、两路温度信号采集电路、降压及供电电路采集的数据进行处理并计算出斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验值，然后通过所述液晶显示屏显示测量数据并实时传送数据到所述程序处理器；所述程序处理器用于将实时测量的数据进行可视化分析；所述液晶显示屏用于显示包括环境温度、目标温度、圆筒温度和加热功率的测量数据，以及斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验值。
4、进一步的，所述热辐射实验箱还包括设置在所述基座上的底座，所述底座采用耐高温材料；所述底座的两侧分别设置有凹槽，所述凹槽用于分别卡设所述黑色圆筒和光滑圆筒；所述基座上还设置所述支架。
5、进一步的，所述黑色圆筒和光滑圆筒的形状和尺寸均相同且材质均为金属；其中，所述黑色圆筒的内表面、外表面均喷涂有热辐射吸收率高的材料，以使所述黑色圆筒的热辐射吸收率高；所述光滑圆筒的内表面、外表面均进行磨光处理，以使所述光滑圆筒的热辐射反射率高。
6、进一步的，所述加热柱包括绕线柱，以及均匀绕设在所述绕线柱表面的电热丝；所述绕线柱的外径小于所述黑色圆筒和光滑圆筒的内径，高度与所述黑色圆筒和光滑圆筒的高度相同；所述加热柱远离于所述基座的一端连接有隔板，所述隔板的直径大于所述黑色圆筒和光滑圆筒的外径；所述隔板远离于所述基座的一侧还设置有两个接线柱和一个提手，所述电热丝的两端分别连接在两个所述接线柱上，所述接线柱与所述自动控制加热电路相连；所述绕线柱采用耐高温材料，隔板采用耐高温且不导电的材料。
7、进一步的，所述底座上还设置有导线槽，所述电阻式温度传感器的导线穿过所述导线槽并连接到所述两路温度信号采集电路。
8、进一步的，所述自动控制加热电路包括n沟道mos管和栅极驱动电路；所述n沟道mos管用于通过改变栅极电压来改变通过电热丝的电流，从而改变电热丝的加热功率；所述栅极驱动电路包括栅极驱动芯片、电流检测芯片、双运算放大器；所述栅极驱动芯片内部集成了逻辑信号输入处理电路、死区时控制电路、闭锁电路、电平位移电路、脉冲滤波电路及输出驱动电路，用于将输入信号或控制信号放大到适合驱动n沟道mos管所需的电平；所述电流检测芯片通过霍尔效应检测流过电热丝的电流，将电流信号转换成电压信号，电压信号再通过双运算放大器和电阻分压电路进行比例缩放，为单片机提供模拟电压信号，单片机输出的模拟电压信号经栅极驱动芯片放大后可调节栅极电压大小，从而控制所述n沟道mos管的导通与截止。
9、进一步的，所述两路温度信号采集电路采用双运算放大器和精密电阻组成高倍压差放大电路和惠斯通电桥电路，用于对所述电阻式温度传感器的电阻变化进行采集，从而计算出当前温度；所述两路温度信号采集电路还包括信号继电器，通过在信号继电器的控制电压输入端提供信号来控制信号继电器的触点状态，从而实现对电路中两个电阻式温度传感器的温度检测切换。
10、进一步的，所述降压及供电电路包括降压集成稳压芯片和供电电路，所述降压集成稳压芯片用于将恒流稳压电源电压降压稳压，所述供电电路包括数字电源供电电路和模拟电源供电电路；所述数字电源供电电路包括低压差线性稳压芯片，通过所述低压差线性稳压芯片进行二级降压得到数字电平，所述数字电平用于为单片机提供稳定的电源电压，以保证单片机正常工作；所述模拟电源供电电路包括基准电压芯片，通过所述基准电压芯片输送稳定的模拟参考电源，为单片机提供参考电压，以确保单片机能够准确地进行模拟信号的比较、转换和测量。
11、本专利技术还提供一种测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验方法，所述实验方法应用如上述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置；所述实验方法包括：
12、(1)测量光滑圆筒和黑色圆筒的外径d、高度h，通过计算获得光滑圆筒和黑色圆筒的表面积s＝π·d·h；
13、(2)开启恒流稳压电源，读取液晶显示屏上的环境温度，取下位于支架上的加热柱，将其放入光滑圆筒中；
14、(3)设置目标温度后开始加热，待加热至光滑圆筒的温度稳定，记本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，该装置包括顺次相连的热辐射实验箱、数据采集处理箱、程序处理器、恒流稳压电源；
2.根据权利要求1所述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，所述热辐射实验箱还包括设置在所述基座上的底座，所述底座采用耐高温材料；所述底座的两侧分别设置有凹槽，所述凹槽用于分别卡设所述黑色圆筒和光滑圆筒；所述基座上还设置所述支架。
3.根据权利要求1所述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，所述黑色圆筒和光滑圆筒的形状和尺寸均相同且材质均为金属；其中，所述黑色圆筒的内表面、外表面均喷涂有热辐射吸收率高的材料，以使所述黑色圆筒的热辐射吸收率高；所述光滑圆筒的内表面、外表面均进行磨光处理，以使所述光滑圆筒的热辐射反射率高。
4.根据权利要求3所述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，所述加热柱包括绕线柱，以及均匀绕设在所述绕线柱表面的电热丝；所述绕线柱的外径小于所述黑色圆筒和光滑圆筒的内径，高度与所述黑色圆筒和光滑圆筒的高度相同；
5.根据权利要求1所述的测量斯忒藩-玻
6.根据权利要求4所述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，所述自动控制加热电路包括N沟道MOS管和栅极驱动电路；
7.根据权利要求1所述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，所述两路温度信号采集电路采用双运算放大器和精密电阻组成高倍压差放大电路和惠斯通电桥电路，用于对所述电阻式温度传感器的电阻变化进行采集，从而计算出当前温度；
8.根据权利要求1所述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，所述降压及供电电路包括降压集成稳压芯片和供电电路，所述降压集成稳压芯片用于将恒流稳压电源电压降压稳压，所述供电电路包括数字电源供电电路和模拟电源供电电路；
9.一种测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验方法，其特征在于，所述实验方法应用如权利要求1至8中任一项所述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置；所述实验方法包括：
...【技术特征摘要】
1.一种测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，该装置包括顺次相连的热辐射实验箱、数据采集处理箱、程序处理器、恒流稳压电源；
2.根据权利要求1所述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，所述热辐射实验箱还包括设置在所述基座上的底座，所述底座采用耐高温材料；所述底座的两侧分别设置有凹槽，所述凹槽用于分别卡设所述黑色圆筒和光滑圆筒；所述基座上还设置所述支架。
3.根据权利要求1所述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，所述黑色圆筒和光滑圆筒的形状和尺寸均相同且材质均为金属；其中，所述黑色圆筒的内表面、外表面均喷涂有热辐射吸收率高的材料，以使所述黑色圆筒的热辐射吸收率高；所述光滑圆筒的内表面、外表面均进行磨光处理，以使所述光滑圆筒的热辐射反射率高。
4.根据权利要求3所述的测量斯忒藩-玻尔兹曼常数的实验装置，其特征在于，所述加热柱包括绕线柱，以及均匀绕设在所述绕线柱表面的电热丝；所述绕线柱的外径小于所述黑色圆筒和光滑圆筒的内径，高度与所述黑色圆筒和光滑圆筒的高度相同；
5....
【专利技术属性】
技术研发人员：高静，刘靖翔，刘佳朋，孟浩鹏，孟祥荣，曾一凡，刘靖明，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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