基于虛擬儀器技術的電流場實驗測量系統研發

郝 麗，董甲瑞

（清華大學電機系電力系統國家重點實驗室，北京 100084）

基于虛擬儀器技術的電流場實驗測量系統研發

郝 麗，董甲瑞

（清華大學電機系電力系統國家重點實驗室，北京 100084）

為了提高學生的實驗效率，研發了基于虛擬儀器技術的電流場實驗測量系統。該系統在硬件上采用數據采集卡實現電壓的測量，在軟件方面利用LabVIEW編寫了針對電流場實驗的應用程序。新的測量系統簡潔易用，可以由輸入的等位點的坐標信息自動完成等位線的繪制，在一定程度上減少了學生重復性的工作。

電磁場；電流場；靜電場虛擬實驗；虛擬儀器技術；LabVIEW

在“電磁場”實驗教學課程中，等位線和電流線的計算和測量是恒定電流場的重要內容。由于直接測量靜電場的電位分布是很困難的，所以一般是利用靜電比擬的方法，用恒定電流場模擬靜電場［1－7］。2010年，清華大學電機系對原來使用的鐵板實驗裝置進行了改造，制作了L形水槽作為電流場實驗的被測對象。在此實驗裝置上，學生可以完成傳統的匯流條轉角處電流場測量，還可以完成靜電場模擬實驗［7］。

學生在做此類實驗時，還是采用傳統的實驗技術和實驗方案，即為了測量一條等位線，需要利用電壓表測量電位，找到等位點后記下該點的坐標，然后在坐標紙上手工描出這些點，最后將這些點連成線。對于此類實驗，測量點多，且是重復性工作，學生普遍覺得枯燥。

隨著計算機技術的發展，利用計算機輔助傳統的實驗教學已有很多嘗試［8－12］，例如文獻［8］是使用串口進行數據采集，利用Matlab進行軟件界面的開發。

本文利用虛擬儀器技術對原來的電流場實驗測量方案進行了改進。虛擬儀器是基于計算機的儀器，目前被廣泛應用于各行各業中。虛擬儀器技術最大的特點是與計算機聯系起來了，可以充分利用計算機強大的數據處理能力。目前開發虛擬儀器常用的軟件工具是NI公司研發的LabVIEW。

電流場實驗測量系統包括硬件和軟件2部分。

1 硬件和軟件

該系統的硬件部分如圖1所示，有L形水槽、穩壓電源、計算機、數據采集卡和數據采集實驗箱。L形水槽是被測對象，穩壓電源提供實驗時所需的輸入電壓。利用LabVIEW調用數據采集函數即可控制數據采集卡，最終實現電壓的測量。

數據采集卡是從NI公司購買的，插在計算機的PCI插槽上。為了電路連接方便，將數據采集卡的端子用一根數據線引出來，連接到數據采集實驗箱上。在做實驗時，將被測電壓連接到數據采集實驗箱上的模入端子就可以了。

圖1 L形電流場實驗裝置

軟件是利用LabVIEW2011編程實現的。實驗“L形電流場測量”的主界面如圖2所示，實驗“同軸電纜的靜電比擬”的主界面如圖3所示。主界面分為兩層，第一層為“測量”，第二層為“仿真計算結果”。“仿真計算結果”展示了對于當前實驗進行仿真建模分析所得的結果，有等位線云圖和電場強度矢量圖。

圖2 實驗“L形電流場測量”的主界面

下文以實驗“L形電流場測量”為例來介紹第一層“測量”部分的功能。

2 “L形電流場測量”實驗

如圖2所示，在“L形電流場測量”界面有一個名稱為“等位線”的圖表，在其上面已經顯示了一條白色的L形閉合線，它表示的是L形電流場的邊界。在界面的右側，共有5個“開始測量”的按鈕，其中1V、2 V、3V和4V為必須完成的測量任務，而右下方的“開始測量”按鈕為興趣選作，所測量的等位線的電位大小由其上方的控件“輸入要測的電壓值”所決定。以1V為例來說明完成一條等位線測量的過程。

圖3 實驗“同軸電纜的靜電比擬”的主界面

點擊“1V開始測量”按鈕，彈出等位線測量界面如圖4所示。在該界面的左上角顯示的是當前要尋找的點的電位的大小，目前為1V。在界面的中間是一個電壓表，表盤指針指向當前的電壓測量值，同時在電壓表右側上方給出當前所測電壓的具體數值。在電壓表的右側下方有一個指示燈，當測量電壓的大小等于目標電壓的大小時，該指示燈亮，否則指示燈處于暗的狀態。

用表筆在水槽中滑動，當界面上的指示燈亮時，表明當前的測量點是要尋找的一個等位點，這時可以在界面的左下方控件中輸入當前測量點的坐標。該控件為一個二維數組，其左上角區為此二維數組的索引，表示的是當前控件所顯示的左上角的元素在整個數組中的索引值。

圖4 等位線測量界面

將等位點的坐標信息輸入完畢后，點擊界面右上方的STOP按鈕，則退出“等位線測量”界面，回到了“L形電流場測量”的主界面，這時在圖表“等位線”中已經出現了1V的等位線，同時在相應的文件夾中已經輸出了名稱為Volt1.xls的文件，其中保存了電壓為1V時所輸入的各個等位點的坐標。相同的操作可以完成2V、3V和4V的等位線的繪制。當所有的等位線繪制完畢后，點擊主界面右上方的“完成”按鈕，則完成測量，同時程序將繪制好的等位線圖保存在相應的文件夾中。

3 “電纜的靜電比擬”實驗

在“電纜的靜電比擬”實驗中，等位線的測量過程與“L形電流場測量”相同，這里不再贅述。“電纜的靜電比擬”實驗中特殊的地方是在測量結果中增加了擬合的功能。

由理論分析可知，電纜的等位線為圓，而如果每條等位線僅測量5個等位點，依次用直線將這個5個點連接，這樣得到的圓形圖形質量很差。所以利用等位線為圓的理論分析結果，結合所測到的5個等位點的坐標值，通過計算可以得到等位線的等效半徑和圓心，然后給出擬合后的等位線結果。

4 結束語

新的測量系統利用LabVIEW編制出簡潔、易用的界面，實現了電壓的測量、數據分析處理（數據擬合）以及結果顯示（畫出等位線）等功能，使測量變得更加方便。同時，利用計算機的數據處理能力，由輸入的等位點的坐標信息可以自動完成等位線的繪制，在一定程度上減少了學生畫表格、描點連線等枯燥的重復性工作，提高了學生的學習效率。

該系統是利用計算機來輔助電磁場實驗教學的一次嘗試。學生在本科階段，通過親手操作使用此系統，會對虛擬儀器技術建立起直觀的認識，這樣的實踐經歷對學生將來的學習和科研也會起到積極的作用。

（References）

［1］馮慈璋.電磁場［M］.北京：高等教育出版社，1992：46－49.

［2］馬信山，張濟世，王平.電磁場基礎［M］.北京：清華大學出版社，1995：75－76.

［3］王澤忠，全玉生，盧斌先.工程電磁場原理［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［4］馮慈璋.電磁場實驗與演示［M］.北京：高等教育出版社，1987：1－3.

［5］蔣坤華.電磁場實驗指導書［M］.北京：北京工業學院出版社，1988：73－82.

［6］趙錄懷.電路與電磁場實驗［M］.北京：高等教育出版社，2001：134－136.

［7］郝麗，董甲瑞，鄒軍.“靜電場”模擬和“電流場”實驗裝置研發［J］.實驗室研究與探索，2005，24（7）：37－38.

［8］李軍，陳穎.電磁場實驗輔助教學軟件的研究［J］.實驗科學與技術，2011，9（1）：62－64.

［9］楊風開.DCC－Ⅱ型電磁場綜合實驗裝置的研制［J］.實驗技術與管理，2005，22（7）：37－38.

［10］宮蓮，王百寬，鄧泰林.計算機輔助電磁場實驗教學［J］.實驗技術與管理，1986，3（4）：5.

［11］姜舒婷，盧斌先，鄭夏陽.工程電磁場綜合實驗設計［J］.電氣電子教學學報，2012，34（5）：78－80.

［12］賀富堂.用Matlab語言處理電磁場實驗數據［J］.高校實驗室工作研究，2011（4）：3－4.

Research and development of the measurement system for current field based on virtual instrumentation technology

Hao Li，Dong Jiarui
（State Key Laboratory of Power Systems，Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

To improve the experiment efficiency of students，a measurement system for current field is developed based on the virtual instrumentation technology.In this system，the data acquisition card is used to measure voltage，experimental applications for the current field are developed using LabVIEW.The new measurement system is simple and easy to use，and volt lines can be automatic drawn by inputting the coordinate information，and the repeated work of students is reduced.

electromagnetic field；current field；electrostatic field virtual experiment；virtual instrumentation technology；LabVIEW

TP393

A

1002－4956（2014）1－0101－03

2013－05－13

郝麗（1981—），女，山西運城，工學碩士，工程師，主要從事電工電子實驗教學及其課程建設工作.

E－mail：haol02＠mails.tsinghua.edu.cn