基于虛擬儀器技術的遠程物理實驗及示教

李潮銳

(中山大學 物理學院，廣東 廣州 510275)

虛擬儀器技術已經被廣泛應用于物理實驗測量[1-5]，通過互聯網+虛擬儀器技術則可實現跨校區(遠程)實驗教學[6]. 盡管遠程實驗不能取代現場操作的教學作用，但它為教學資源共享提供了可操作實施的途徑. 物理學是一門實驗科學，理論物理課程往往需要實驗演示輔助教學，將抽象的物理概念或原理形象化. 基于虛擬儀器技術的遠程(跨校區)物理實驗示教，既突出物理學科的特點，又體現物理教學的特色. 為配合長學制(本博連讀)臨床醫學專業“醫學診療技術的物理原理”理論課教學，作者運用互聯網+虛擬儀器技術基于C/S模式實施遠程物理實驗示教. 在物理課堂教學中，根據需要通過遠程交互界面發送實驗操作指令，由實驗現場服務器對儀器設備實施測量控制并實時回傳實驗結果輔助理論課堂教學. 實踐表明，這一教學技術也適用于實驗課堂交流. 通過“借用”放置于其他地點的儀器設備進行實驗問題分析，既不中斷課堂實驗進程又展示了靈活的實驗教學技術.

1 RLC諧振頻率特性

LC電路是核磁共振有效激發或檢測的重要電子技術單元，其諧振特性測量的本質是變頻交流阻抗測量. 由于核磁共振技術原理的教學需要，文獻[7]介紹了利用數字電橋對LC電路幅頻和相頻特性進行測量分析. 實驗結果表明，LC并聯諧振可實現電流放大功能，更適合于核磁共振激發；LC串聯諧振具有電壓放大作用，有利于核磁共振檢測. 為進一步說明信號(初)相位或信號之間相位差的物理含意以及其重要性，文獻[8]使用數字存儲示波器更清晰地觀測信號相位及其變化過程，并由波形數據通過離散傅里葉分析準確得到信號的幅值和相位，更直觀地實現LC回路諧振特性定量分析. 上述實驗分析過程有效地輔助理論課程的課堂教學，也是遠程物理實驗示教案例.

由Tektronix MDO4034C數字存儲示波器及其集成MDO4AFG任意函數發生器(附件)組建測量系統，現場實驗服務器通過USB接口分別對MDO4034C主機和MDO4AFG附件實施測控和數據采集. 選用Rs=74.86 Ω，Ls=33.04 mH，Cp=7.20 nF. 圖1顯示了遠程課堂示教交互界面及并聯LC電路頻率特性. 相同技術方法可以實時獲得串聯LC電路頻率特性實驗數據.

文獻[7]已詳細分析上述實驗結果，在此不再贅述. 值得一提的是，由于遠程服務器實時回傳取樣電阻R壓降(紅色)和RLC電路輸入電壓(藍色)波形數據，在課堂上可以很直觀地觀察到信號幅值及兩者之間相位差隨頻率變化過程. 若從低頻端開始實驗，可見電阻壓降信號超前電路輸入信號；隨著頻率增加，兩者相位差逐漸縮小. 直至諧振時，兩者同相. 隨后，電阻R壓降信號開始落后于RLC電路輸入信號，且隨頻率繼續增加而相位差增大. 觀測信號之間相位差變化有助于深刻理解LC諧振特性，更為后續講解自旋回波成像的相位編碼技術做鋪墊.

圖1 RLC頻率特性遠程示教交互界面

2 連續波核磁共振觀測

核磁共振是在滿足能量守恒和角動量守恒條件下，外磁場中核自旋精細能級對激發光子產生吸收使基態粒子躍遷至激發態. 基態是穩定態具有無限壽命，而處于激發態粒子經過一定時間之后必將回到基態. 縱向弛豫反映了粒子在激發態壽命這一物理本質，而橫向弛豫則描述了在垂直于外磁場方向的平面上自旋磁矩退相干的物理過程. 此外，磁場不均勻性還將加速退相干，這也正是連續波核磁共振弛豫的物理事實. 由此可知，連續波核磁共振實驗是理解核磁共振成像原理的物理基礎，也是輔助核磁共振物理原理課堂教學的實驗示教案例.

使用復旦天欣CNMR-I連續波核磁共振實驗裝置，由Rigol DP831A穩恒電源提供附加勵磁電流以改變外磁場強度. 使用Rigol DS4022數字存儲示波器觀測核磁共振吸收和調制場同步信號，且由Agilent 53181A通用計數器測量共振頻率. 現場實驗服務器通過GPIB和USB接口分別對HP53181A，DP831A和DS4022實施測控和數據采集. 選用適當濃度的硫酸銅水溶液為實驗樣品. 圖2是掃場法連續波核磁共振觀測的遠程示教交互界面.

圖2 連續波核磁共振遠程示教交互界面

上述實驗方案同時適合于掃場法和掃頻法. 掃場法實驗時，使用DP831A提供可調穩恒勵磁電流改變磁場強度；掃頻法觀測時，DP831A作為變容二極管偏壓的可調恒壓源用于改變邊限振蕩器的工作頻率[9].

簡單介紹掃場法實驗示教操作方法. 首先，通過適當設置圖2(c)勵磁電流增量和方向，實時觀測圖2(a)共振信號變化，直至每調制場周期出現2個等間隔的共振吸收信號. 隨之，設置勵磁電流增量為零. 由于CNMR-I配套電源不具備自動化測控功能，無法遠程調節調制場同步信號相位. 盡管如此，遠程實驗結果已經非常有效地輔助核磁共振物理原理課堂教學. 圖2(b)和(c)還分別記錄了在示教過程中，溫漂將影響振蕩頻率(和磁場強度)穩定性. 為配合課堂教學需要，可以實時調節勵磁電流使共振信號保持處于等間隔狀態. 若選用“尾波”較長的硫酸銅水溶液樣品，實驗結果既用于解釋共振吸收的能量守恒原理，又能分析共振弛豫過程. 文獻[10]已對圖2(a)中調制場前半周和后半周所對應共振信號差異問題，作了充分討論，并提出了解決辦法.

采用掃頻法實驗示教可取得相同的課堂教學效果.

3 磁場隨磁體溫漂變化

文獻[11]已詳細分析了在磁共振實驗中磁體溫漂對實驗測量的影響及相關教學問題. 不管是微波電子自旋共振還是射頻核磁共振系列實驗，實驗過程都會遇到由于磁體微小溫漂而導致共振信號“消失”. 為突出實驗課堂討論重點而不中斷實驗進程，同時也不影響他人實驗測量，使用放置于另一地點的核磁共振磁體和帶溫度補償的特斯拉計組建演示實驗. 為使微波電子自旋共振實驗和核磁共振系列實驗的全體學生同時參與課堂討論，采用遠程實驗示教可以擴大教學受益面.

由Motech LPS305穩恒電源所提供的勵磁電流將使磁體溫度緩慢變化(升溫)，使用東方晨景TC202溫控儀測量磁體溫度. 帶溫度補償探頭的華鳴CH1500特斯拉計可以同時測量磁場強度和傳感器所處位置溫度. 現場實驗服務器通過RS232接口對LPS305，TC202和CH1500實施測控和數據采集. 圖3顯示了觀測磁體溫度變化對磁場強度影響的遠程示教交互界面.

圖3 磁場強度隨磁體溫度變化的遠程示教交互界面

圖3(b)和(d)分別顯示磁體溫度和特斯拉計探頭溫度隨勵磁電流加熱時間變化過程；(a)和(c)為磁場強度分別隨磁體溫度和加熱時間變化情況. 由圖3(d)可見，盡管磁體溫度明顯上升而探頭溫度依然比較穩定，且由于探頭具有溫度補償功能，可以認為實驗測量所得磁場強度變化源于磁體溫度變化.

圖3所示遠程實驗示教的目的在于驗證磁體溫漂對磁場強度的影響，從而理解在微波電子自旋共振和核磁共振系列實驗中共振吸收信號漂移的物理本質，同時掌握準確測量磁場強度的技術方法. 事實上，勵磁電流熱效應或實驗室環境溫度變化都可以引起磁體溫漂. 由此可知，在室溫變化環境中(較長時間)遠程監測磁體溫度及其磁場強度關系也是可選的實驗示教案例.

4 結束語

作者多年同時承擔物理理論課和實驗課的教學，在理論課教學中盡可能通過實驗事實將物理概念或原理可視化，在實驗課堂上也更關注測量技術原理和實驗結果的物理含意. 實驗課教學與理論課教學相互促進，不斷優化物理教學技術和方法，以期達到更好的教學效果. 上述3個遠程實驗示教案例融合理論原理、實驗原理和遠程測控技術為一體，由此也展示了作者一直堅持并實踐的理論與實驗相結合的物理教學方法.

參考文獻：

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[3] 蔡霞，吳先球. 基于虛擬儀器實現單擺法測量重力加速度[J]. 物理實驗，2012,32(8)：28-29,33.

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[6] 李潮銳. 跨校區物理實驗平臺的教學可操作性[J]. 物理實驗，2006,26(10)：20-23.

[7] 李潮銳. 數字電橋測量LC諧振特性[J]. 物理實驗，2017,37(12)：21-24.

[8] 李潮銳. 數字示波器測量RLC諧振特性[J]. 物理實驗，2018，38(4):24-26，29.

[9] 李潮銳. 連續波核磁共振吸收的頻域測量[J]. 物理實驗，2017,37(10)：26-29.

[10] 李潮銳. 掃場對核磁共振測量的影響[J]. 物理實驗，2015,35(1)：1-4.

[11] 李潮銳. 磁共振實驗溫度漂移對磁場及測量的影響[J]. 物理實驗，2017,37(2)：24-27，32.