基于Excel的金属电子逸出功测量数据分析和管理系统设计

摘要： 结合金属电子逸出功的测量实例，设计了一套基于Excel数据分析和管理系统.实践表明，该系统快捷、简明、直观，完全可以比拟常见的实验教学仪器随机附带的处理软件.此种设计方法具有推广价值。

Abstract： Combined with measurement of metal electric work function， designing the data processing and management sysetm by using Excel software. This system has the advantages of rapidity， conciseness and visualization， completely can compare common processing software with experiment teaching instrument accompanied. This design method is popular value.

关键词： Excel软件；数据处理；数据管理；金属电子逸出功

Key words： Excel software；data processing；data management；metal electric work function

中图分类号：TP274；O4—39 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）27—0216—03

0 引言

在物理实验尤其是近代物理实验以及科学研究中，经常产生大量测量数据，经过记录、整理、计算、绘图、分析等大量复杂繁琐的数据处理后，方能给出科学结论。传统方法往往是手工处理大量数据，最终仅在坐标纸上描点绘图。因此效率低，易出错，误差大，甚至影响结论的准确性。

随着计算机迅速发展，数据分析处理的软件实现和应用也逐渐成为每个科研工作者必须掌握的一门技术。常见的数据处理软件如Origin、MATLAB、SPSS等功能强大，专业性强，对使用者有较高要求，而Excel直观易学，使用方便，数据处理过程简单，无需精通计算机编程，因此成为处理物理实验数据的首选工具。

Excel集数据表格、图表和数据库三大基本结构功能于一身，还提供了大量函数，用户可通过这些函数进行统计管理、线性分析等工作[1—3]。并能很方便地将数据处理过程的基本单元制成电子模板，使用时只要调出相应的模板，输入原始数据，激活相应的功能按钮，就能得到实验作图要求的各项参数。

1 电子逸出功的测量原理简介

由费米—狄拉克能量分布公式可得到热电子发射的里查逊—热西曼公式[4] I=AST2exp（—■）（1）

式中I是加速电压为零时热电子发射电流，称零场电流。A与阴极材料有关，S为阴极有效发射面积，T为发射热电子的阴极绝对温度（该温度与加热电流对应关系可查表）。实际测量中采用理查逊直线法避开A、S测量，将（1）式两边除以T2，再取对数得

1g■=1gAS—■=1gAS—5.04×103？渍■（2）

可见，1g■与■成线性关系，由斜率即可求出该金属的逸出电位？渍或逸出功e？渍。

由于肖特基效应，零场电流I与阴极发射电流Ia、加速电压Ua有

1gIa=1gI+■■■（3）

式中Ia是加速电压Ua为时阴极发射电流，r1和r2分别是阴极和阳极半径。几何尺寸一定的管子，阴极温度T一定时，1gIa与■成线性关系，截距为1gI。

实验一般在7个不同温度值采集49组电压和电流值，根据公式（3）进行7次直线拟合，采用直线外延法分别找出7个温度对应的零场电流对数1gI，之后再根据公式（2）进行1g■～■直线拟合，找出该直线斜率，进而求出该金属的逸出功e？渍。计算公式繁琐，图表较多，数据处理困难。

2 设计思路

本设计旨在实现数据的记录管理和分析处理。使用者仅需录入测量数据并保存，系统便自动生成处理结果以及相关图表。保存后可获得原始测量数据备份，避免随意篡改伪造测量数据；同时，又可形成一个数据信息库，为使用者查询测量数据提供便利。

基于以上构思，数据录入和数据处理作为两个独立且关联的模块，分别出现在两个工作表中。数据录入模块将个人信息和测量数据输入电脑，除必要输入栏目，使用者没有权限更改其他选项。处理分析模块的数据来自于对管理模块的链接，包括数据处理的中间过程和最终处理结果，为了便于管理还应包含使用者的基本信息。流程如图1。

3 基于Excel实现测量数据的录入和管理

本测量采用西安超凡光电设备有限公司WH—I型金属钨电子逸出功测量仪完成。

打开Excel，创建新工作表，该工作表作为数据记录用表，命名为“原始数据”。根据测量原理和要求，该工作表由基本信息、数据记录、温度对照表三个部分组成，如图2。

此工作表A1—H3为使用者基本信息，其中G2单元格输入的内容为“=TODAY（）”，可获取当前系统日期。A6—H12为数据Ia、Ua记录栏。A14—H17为“加热电流If与钨丝真实温度对照表”，数据处理过程中需查此表获得阴极灯丝温度。

4 基于Excel实现数据处理和分析

创建第二个工作表用于数据处理，命名为“数据处理及结果”。该模块为本设计的核心，包含基本信息、数据链接与转换、绘图与读图、直线拟合、数据处理结果等部分。

4.1 基本信息 考虑到打印需要该工作表依然包含使用者基本信息。在A2—H3栏中建立链接，使B2，E2，G2，B3单元格分别与“原始数据”工作表的对应位置链接，如B2=原始数据！B2，其余类似。使用者只需在“原始数据”工作表中输入信息，此处信息自动跟随生成。如图3。