基于LabVIEW的電位差計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

李文韜，孫茜茜，陸辰凌，余茗舟，張紅光，王增旭

(1. 南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2. 南京郵電大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210003)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，教育和教學(xué)方式日新月異. 翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)理念大大地拓展了現(xiàn)代課堂的時(shí)間和空間維度，在線教育正在成為一種時(shí)代潮流[1]. 相比于理論課程，實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)存在線上不能進(jìn)行實(shí)際操作的短板. 因此，開(kāi)發(fā)相關(guān)的線上虛擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]有著重要意義，從認(rèn)知學(xué)的視角看虛擬教學(xué)儀器對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)有幫助作用[3].在國(guó)外基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器很早就用于教學(xué)[4]，并陸續(xù)開(kāi)發(fā)了各種線上實(shí)驗(yàn)室用于教學(xué)[5-7]. 近年來(lái)國(guó)內(nèi)也有一些基于LabVIEW的虛擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作[8-10]，實(shí)踐證明LabVIEW用于開(kāi)發(fā)虛擬物理實(shí)驗(yàn)是一個(gè)較好的平臺(tái).

本文基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)了可用于模擬“電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)”實(shí)驗(yàn)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng). 本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)是根據(jù)我校目前使用的FB332型直流電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)儀的使用體驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算和調(diào)節(jié)的，實(shí)踐證明它較好的仿真了實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)于預(yù)習(xí)本實(shí)驗(yàn)的同學(xué)理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路以及了解實(shí)驗(yàn)步驟起到了很好的幫助作用.

1 補(bǔ)償法原理

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，如用電壓表直接測(cè)量電動(dòng)勢(shì)，其實(shí)際測(cè)量結(jié)果是端電壓[11]，而不是電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)榛芈冯娏鲗?dǎo)致具有內(nèi)阻的待測(cè)電勢(shì)本身消耗掉一部分電動(dòng)勢(shì). 補(bǔ)償法克服了這一缺點(diǎn)，通過(guò)可調(diào)電動(dòng)勢(shì)E0與待測(cè)電動(dòng)勢(shì)Ex相互補(bǔ)償，當(dāng)調(diào)節(jié)至電路中無(wú)電流即IG=0時(shí)，Ex=E0. 其原理圖如圖1所示.

圖1 補(bǔ)償法原理圖

補(bǔ)償法是一種精確測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的常用方法，利用補(bǔ)償法設(shè)計(jì)的儀器稱為電位差計(jì)[12-14].

2 十一線電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)原理

2.1 電位差計(jì)原理圖

我校使用的是十一線電位差計(jì)，實(shí)驗(yàn)器材由兩部分構(gòu)成：一部分為直流電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)儀，它集成了標(biāo)準(zhǔn)電池、檢流計(jì)、工作電源、待測(cè)電勢(shì)以及換向開(kāi)關(guān)等；另一部分為十一線電位差計(jì)，內(nèi)有一根11 m長(zhǎng)的電阻絲. 電位差計(jì)工作原理如圖2所示.

圖2 電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)原理圖

其中，E為工作電源,A、B為電阻絲的接頭插孔，電阻絲總長(zhǎng)11 m,C、D為位置可調(diào)節(jié)的觸點(diǎn),EN為標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)1.018 6 V,Ex為待測(cè)電動(dòng)勢(shì),K2為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),G為檢流計(jì).

2.2 電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)中的補(bǔ)償法

使用電位差計(jì)過(guò)程中兩次用到補(bǔ)償法，第一次是定標(biāo):將C、D兩點(diǎn)之間電壓與標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)EN補(bǔ)償,調(diào)整開(kāi)關(guān)K2，將標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)接入電路，計(jì)算并設(shè)定C、D兩點(diǎn)之間的電阻絲的定標(biāo)長(zhǎng)度為L(zhǎng)CD0,有

(1)

其中，EN為標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)，取值為1.018 60 V；u0為矯正系數(shù)(單位長(zhǎng)度的電阻絲上的電壓大小).

定標(biāo)方式有兩種，如圖2所示，第一種方式：電源電壓E直接加到11 m長(zhǎng)的電阻絲兩端(A、B兩點(diǎn))，調(diào)節(jié)電源電壓E的大小使檢流計(jì)示數(shù)為零，可實(shí)現(xiàn)定標(biāo)(即單位長(zhǎng)度的電阻絲電壓大小達(dá)到所需標(biāo)準(zhǔn)). 第二種方式：固定電源電壓E(E的取值需大于11u0，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)定標(biāo))，將電阻Rx接入回路，調(diào)節(jié)Rx實(shí)現(xiàn)定標(biāo).

第二次用到補(bǔ)償法是測(cè)量：將待測(cè)電動(dòng)勢(shì)與C、D兩點(diǎn)之間電壓進(jìn)行比較，此時(shí)向下扳動(dòng)換向開(kāi)關(guān)K2，將待測(cè)電動(dòng)勢(shì)接入電路，改變C、D段長(zhǎng)度，使檢流計(jì)示數(shù)為零，從而達(dá)到補(bǔ)償狀態(tài). 基于設(shè)定的校正系數(shù)，可計(jì)算待測(cè)電動(dòng)勢(shì)的大小為

Ex=LCDu0

(2)

其中，Ex為待測(cè)電動(dòng)勢(shì)，u0為矯正系數(shù).

3 基于LabVIEW的十一線電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)虛擬儀器的設(shè)計(jì)

參照我校當(dāng)前使用的FB322型直流電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)儀和FB325型十一線電位差計(jì)的面板對(duì)虛擬儀器的面板進(jìn)行了設(shè)計(jì).

3.1 系統(tǒng)前面板效果與對(duì)比

圖3 FB322型直流電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)儀

圖4 基于LabVIEW設(shè)計(jì)的電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)儀

在功能上，基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)儀基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)際儀器的功能，可以模擬所有實(shí)驗(yàn)操作. 由于LabVIEW功能所限，游標(biāo)尺的功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，圖5中調(diào)節(jié)D接觸點(diǎn)的游標(biāo)部分采用了在圖6所示的虛擬儀器面板，上面加了顯示C、D間電阻絲長(zhǎng)度的窗口，并且增加了細(xì)調(diào)功能，使得虛擬儀器有良好的使用體驗(yàn).

圖5 FB325型十一線電位差計(jì)

圖6 基于LabVIEW設(shè)計(jì)的十一線電位差計(jì)

3.2 程序框圖與參數(shù)設(shè)置

1) 雙向開(kāi)關(guān)K2模塊的相關(guān)程序框圖如圖7所示，其中，雙向開(kāi)關(guān)的數(shù)值化取值為0、1、2，對(duì)應(yīng)不同的模式選擇，當(dāng)開(kāi)關(guān)值取0時(shí)，待測(cè)電動(dòng)勢(shì)接入電路并參與相關(guān)程序運(yùn)算；當(dāng)開(kāi)關(guān)取值1時(shí)，電路為斷開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)關(guān)取值2時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)接入電路.

圖7 雙向開(kāi)關(guān)模塊程序框圖

2) 電源電壓模塊程序思路

電源電壓由粗調(diào)旋鈕和細(xì)調(diào)旋鈕共同決定.在實(shí)際儀器中，電壓細(xì)調(diào)的精度應(yīng)該大于等于檢流計(jì)精度的最高擋位才能夠滿足細(xì)調(diào)的要求.

在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，用鼠標(biāo)操作虛擬儀器細(xì)調(diào)旋鈕難免導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)的波動(dòng)性較大，因此將細(xì)調(diào)旋鈕靈活轉(zhuǎn)為擋位旋轉(zhuǎn)與按鍵配合.

圖8 電源電壓的粗調(diào)細(xì)調(diào)旋鈕

通過(guò)粗調(diào)確定大致位置，然后選擇細(xì)調(diào)擋位，單擊增大或減小按鈕，即可對(duì)應(yīng)擋位的數(shù)值. 如細(xì)調(diào)擋位選擇為10-3，則每次單擊增大按鈕，電源電壓都會(huì)增大0.001 V. 最高擋位為10-6V. 程序框圖如圖9所示：

圖9 調(diào)節(jié)電源電壓的程序框圖

3) 11 m電阻絲阻值的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)節(jié)精度和基本參數(shù)，設(shè)置虛擬儀器參數(shù)的依據(jù)如下：電阻絲的長(zhǎng)度精確到毫米，電阻箱的最小擋位為0.1 Ω，在上文講述的第二種定標(biāo)方式中，電阻絲和電阻箱串聯(lián)形成回路，因此在設(shè)計(jì)虛擬儀器時(shí)可以取1 mm的電阻絲阻值為0.1 Ω，11 m長(zhǎng)的電阻絲阻值取1 100 Ω.電阻絲阻值也可以基于補(bǔ)償法實(shí)驗(yàn)原理來(lái)推導(dǎo).

校正系數(shù)u0，固定電源電壓，如取電源電壓為E，則十一線電位差計(jì)電壓為11u0，滑動(dòng)變阻器分壓E-11u0.

設(shè)滑動(dòng)變阻器為Ex，十一線電位差計(jì)電阻為Rab，由歐姆定律直觀可得

(3)

因?yàn)镽x在使用到最大量級(jí)時(shí)調(diào)節(jié)范圍為100～1 000 Ω，通過(guò)上式可計(jì)算出Rab的取值范圍為

(4)

取此范圍內(nèi)的值作為十一線電位差計(jì)的阻值，則待測(cè)電勢(shì)R′ab的計(jì)算公式為

(5)

其中,E為電源電壓，Lab為十一線實(shí)際接入電路的長(zhǎng)度. 若u0取0.2 V/m，E取4 V，代入公式(4)計(jì)算可得Rab的范圍在122.2 Ω與1 222 Ω之間. 十一線電位差計(jì)，提供11 m的電阻絲，為了還原實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果，需要在程序編寫中賦予合適的參數(shù). 本次實(shí)驗(yàn)R′ab以1100 Ω為例，如圖10程序框圖所示.

圖10 十一線電位差計(jì)電阻實(shí)現(xiàn)方式

4) 十一線模塊功能實(shí)現(xiàn)方式

十一點(diǎn)電阻絲分為整數(shù)部分與小數(shù)部分，整數(shù)部分有兩列，共10個(gè)插孔，小數(shù)部分為可調(diào)旋鈕刻度盤. 通過(guò)選擇插孔配合可調(diào)旋鈕刻度盤實(shí)現(xiàn)0～11 Ω的電阻選擇. 在該部分虛擬儀器的設(shè)計(jì)中，采取了事件結(jié)構(gòu)來(lái)處理10個(gè)插孔，每一個(gè)插孔對(duì)應(yīng)一個(gè)布爾原件. 單擊某一個(gè)布爾原件，該插孔亮起，其他9個(gè)布爾原件會(huì)熄滅，將亮起的布爾原件對(duì)應(yīng)的數(shù)值輸出，即確定了整數(shù)部分. 小數(shù)部分采用旋鈕類控件，設(shè)定范圍只作為0～1的小數(shù)部分.整數(shù)部分選擇5號(hào)插孔為例，程序框圖如圖11所示.

圖11 十一線模塊程序框圖

由于實(shí)際儀器中，小數(shù)部分的精度為10-3m,因此，同樣采取了電壓細(xì)調(diào)擋位配合增減按鍵調(diào)節(jié)小數(shù)部分的方式，使得調(diào)節(jié)精度能夠達(dá)到10-5m，效果較好. 圖12框圖右下部分是為了約束小數(shù)部分調(diào)節(jié)范圍在0～1 m內(nèi)，對(duì)超出范圍的調(diào)節(jié)操作不予回應(yīng)并修正.

5) 檢流計(jì)模塊的程序思路

檢流計(jì)的示數(shù)可以通過(guò)比較兩端的電壓差實(shí)現(xiàn)，這也正是補(bǔ)償法的優(yōu)勢(shì)，是精確測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的常用方法. 而檢流計(jì)能夠到達(dá)的精度可以通過(guò)電源電壓的擋位結(jié)合歐姆定律來(lái)推導(dǎo).

此外，當(dāng)檢流計(jì)的示數(shù)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作超出量程時(shí)，溢出指示燈會(huì)亮起. 保護(hù)電阻與初始誤差也被考慮在內(nèi)，最終的程序框圖如圖12所示.

圖12 流計(jì)模塊程序框圖

6) 隨機(jī)性處理

為了使虛擬儀器的使用體驗(yàn)更接近于真實(shí)儀器，在虛擬儀器中增加了一些隨機(jī)參數(shù)，由于在電學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作中，電路連接的接觸電阻具有一定的隨機(jī)性，因此在虛擬儀器的連線插孔處加了0.05～0.5 Ω的隨機(jī)電阻，實(shí)際檢流計(jì)在測(cè)量前需要初始調(diào)零，故每次在虛擬儀器開(kāi)啟時(shí)，都會(huì)為檢流計(jì)加一個(gè)隨機(jī)誤差. 該部分的程序框圖如圖13所示.

圖13 隨機(jī)數(shù)應(yīng)用的程序框圖

本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總程序框圖如圖14所示.

圖14 系統(tǒng)總體程序框圖

3.3 程序功能說(shuō)明

1) 系統(tǒng)默認(rèn)初始化

實(shí)驗(yàn)時(shí)，儀器總開(kāi)關(guān)接通、各路開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，保護(hù)電阻接入電路，電源電壓、檢流計(jì)開(kāi)關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)電池均置于“內(nèi)附”擋，檢流計(jì)賦予初始誤差，可用機(jī)械調(diào)零旋鈕調(diào)零.

2) 各模塊可實(shí)現(xiàn)的功能

調(diào)整雙向開(kāi)關(guān)可選擇接入標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)，或接入待測(cè)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行測(cè)量.檢流計(jì)在調(diào)零后，可以調(diào)整靈敏度擋位，檢流計(jì)提供溢出警示，在示數(shù)超出量程時(shí)點(diǎn)亮.電源電壓可通過(guò)粗調(diào)與細(xì)調(diào)旋鈕調(diào)節(jié)，待測(cè)電動(dòng)勢(shì)可接入0.3 V、1.2 V、1.7 V以供選擇.

十一線電位差計(jì)可根據(jù)左側(cè)接線孔選擇0～10 m的整數(shù)部分，右側(cè)旋鈕選擇0～1 m的具體數(shù)值，兩部分?jǐn)?shù)值的組合即LCD的長(zhǎng)度.

保護(hù)電阻、檢流計(jì)、電阻箱和標(biāo)準(zhǔn)電池可根據(jù)需要使用開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或者接入、外接或者內(nèi)附.

4 結(jié)論

基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)研究的“十一線電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)”虛擬物理實(shí)驗(yàn)儀器可實(shí)現(xiàn)實(shí)際儀器的全部功能，完全能夠模擬電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的全過(guò)程. 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可完全脫離編程平臺(tái)，在其他計(jì)算機(jī)上操作，無(wú)虛安裝其他軟件. 本文的作者還開(kāi)發(fā)了虛擬的雙臂電橋?qū)嶒?yàn)儀，在虛擬儀器中還添加了電路接線的環(huán)節(jié)，對(duì)于錯(cuò)誤的連線虛擬儀器會(huì)示錯(cuò)，在2021年春季學(xué)期將開(kāi)發(fā)的虛擬儀器上傳到QQ群供學(xué)生下載課前預(yù)習(xí)用，截止目前總下載使用次數(shù)共105次. 筆者在中國(guó)大學(xué)慕課網(wǎng)進(jìn)行了虛擬儀器的使用問(wèn)卷調(diào)查，83.3%的學(xué)生認(rèn)為對(duì)預(yù)習(xí)該實(shí)驗(yàn)有幫助，20.8%的同學(xué)認(rèn)為虛擬儀器高度仿真實(shí)驗(yàn)儀器，72.9%的同學(xué)認(rèn)為做到了大部分仿真，同學(xué)們談了使用感受并積極提出一些改進(jìn)意見(jiàn). 虛擬儀器在一定程度上彌補(bǔ)了線上物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的短板，探索了新的教學(xué)模式[15]，為助力學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)取得良好的效果，同時(shí)配合MOOC精品課程的建設(shè)，豐富了物理實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)的內(nèi)容，具有較大的應(yīng)用前景[16-18].