設計基于LabVIEW 的大學物理虛擬實驗
——以“惠斯通直流單臂電橋測電阻”為例

王 星 陳建勇 謝 東

（1.桂林航天工業學院 理學院 廣西桂林 541004；2.桂林理工大學博文管理學院文理學院 廣西桂林 541000）

一、引言

（一）LabVIEW 的虛擬儀器開發平臺

LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）實驗虛擬儀器開發平臺是以一種用圖標來代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。它具有編程簡單、開發周期短、高效、自定義性強且性價比高等優點。在Labview中，用戶界面也被稱為前面板，與之對應的是程序框圖面板，前面板上的每一個圖標都對應著程序框圖中的一個對象，使用圖標及連線再通過編程的方式對前面板上的對象控制，從而實現虛擬儀器的開發。[1-2]

（二）惠斯通電橋法電阻的實驗原理

惠斯通電橋的基本電路如圖1所示，電路由被測電阻Rx、標準電阻R0，R1和R2構成惠斯通電橋的四個臂。在C、D兩端加上一定的直流電壓，在AB之間接入用來檢測其間有無電流檢流計G，當檢流計指針指向中心0處，說明AB之間沒有電流即AB兩點的電位相等。“橋”指AB這段電路，其作用是將A、B兩點的電位進行比較，以此確定電橋的平衡狀態。

圖1 惠斯通電橋的基本電路圖

接通后，電路中即會有電流流過，并且在各臂的電阻兩側產生電壓。使得A、B兩點間將有電位差，導致有電流I通過檢流計G，使檢流計G的指針立即發生偏轉。調節R1、R2或R0，使A、B兩點間的電位達到相等，這時若無電流通過檢流計G，即I＝0，則稱電橋達到了平衡。根據電路圖可知，當電橋平衡時，電橋四個臂上電阻的關系為：

二、惠斯通電橋虛擬仿真實驗設計結構

惠斯通電橋虛擬仿真實驗從虛擬儀器構造角度講，分為基本模塊和輔助模塊兩個大部分，基本模塊包括用戶界面、情境創設、過程仿真、數據處理等。輔助模塊則包含實驗過程演示和練習測試模塊。[4-5]

（一）用戶界面

構建的和諧、逼真的人機界面是虛擬實驗系統要解決的首要問題。惠斯通電橋虛擬仿真實驗在制作時基本使用與實驗室中的真實儀器的構造完全一致并在視覺上稍做美化，以此制作出的用戶界面和諧友好、方便操作、逼近物理原型。

（二）情境創設

惠斯通直流單臂虛擬實驗要依據學生以往的知識背景及需求，呈現具體的實驗目的、實驗原理、在物理學中的地位等相關背景資料以及相關環境等信息。以學生認知的順序來設置實驗目的，讓學生了解學習惠斯通電橋測電阻的原因并且要完成哪些實驗內容；實驗原理使學生了解惠斯通單臂電橋可以測量位置電阻的方法；實驗儀器使學生了解儀器各處面板、按鈕的作用以及儀器內部的構造，使學生對儀器有深入的了解；實驗內容讓學生了解實驗該如何進行，如何可以測量出正確的實驗結果。

（三）過程仿真

由于實驗步驟模塊關系到學生是否能將在惠斯登直流單臂電橋虛擬實驗中獲得的技能向真實的操作能力遷移，所以對實驗步驟以及仿真實驗模塊設計的要求是提供一個與真實實驗相近的虛擬實驗環境，如儀器、操作時儀器的反應，這些需要根據實驗儀器原理進行編程，從而實現定量反饋。

（四）數據處理

實驗數據是對實驗結果分析的依據，是探索、驗證物理規律的第一手資料，對實驗數據的處理是實驗過程的重要內容之一。數據處理模塊使學生擺脫煩瑣的計算，集中精力于實驗本身，學習者通過該模塊對實驗數據進行處理和分析。

三、惠斯通虛擬仿真實驗使用說明

圖2 惠斯通單臂電橋測電阻虛擬仿真實驗界面

開始進行惠斯通電橋仿真實驗，從界面的左下角選擇所需儀器（圖2），然后按下“電源開關”，儀器上的紅色指示燈亮起，表示電源接通。操作檢流計在不同靈敏度下調零，調零后選擇未知電阻，若測量多個位置電阻則選擇電阻的連接方式（圖中選擇的是R2和R4，連接方式為并聯）。程序設置每次進入程序未知電阻的阻值都會改變。

轉動主界面上的“R1和R2”按鈕，選擇倍率；按下粗調，電源（單），轉動下方的五個旋鈕調節R0的阻值至檢流計指向0。接下來按下細調按鈕和電源（單），進行細調，繼續轉動五個旋鈕調節R0的阻值至檢流計指向0，測量結束。進入數據處理，填寫實驗數據，實驗結束。學生可以在實驗界面和數據處理界面來回切換，并且將測量的結果寫入表格中，按照數據處理的公式進行通過程序自動計算得到未知電阻的結果。

四、結論

用LabVIEW制作的單臂電橋測量電阻實驗系統不僅模擬了傳統物理實驗的操作過程，而且還加入了數據處理模塊，實驗數據采集完成后即可得出實驗數據處理結果，使實驗的效率大大提高，可用于遠程虛擬實驗室建設，也可作為演示實驗應用于實驗教學的課堂中。把LabVIEW制作的仿真實驗系統應用于物理實驗教學中，不僅能夠降低實驗教學成本改善教學條件，更為重要的是，軟件界面的真實性和可操作性，能給學生以身臨其境的感受，有利于調動學生學習的自覺性，培養學生的創新能力。