基于LabVIEW的電位差計虛擬實驗系統

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

隨著信息技術的飛速發展，教育和教學方式日新月異. 翻轉課堂的教學理念大大地拓展了現代課堂的時間和空間維度，在線教育正在成為一種時代潮流[1]. 相比于理論課程，實驗課程的教學存在線上不能進行實際操作的短板. 因此，開發相關的線上虛擬物理實驗系統[2]有著重要意義，從認知學的視角看虛擬教學儀器對于學生的學習有幫助作用[3].在國外基于LabVIEW平臺開發的虛擬實驗儀器很早就用于教學[4]，并陸續開發了各種線上實驗室用于教學[5-7]. 近年來國內也有一些基于LabVIEW的虛擬物理實驗系統的工作[8-10]，實踐證明LabVIEW用于開發虛擬物理實驗是一個較好的平臺.

本文基于LabVIEW平臺開發了可用于模擬“電位差計測量電動勢”實驗的虛擬物理實驗系統. 本系統的實驗參數是根據我校目前使用的FB332型直流電位差計實驗儀的使用體驗進行計算和調節的，實踐證明它較好的仿真了實際物理實驗過程，對于預習本實驗的同學理解實驗原理和實驗的設計思路以及了解實驗步驟起到了很好的幫助作用.

1 補償法原理

在電學實驗中，如用電壓表直接測量電動勢，其實際測量結果是端電壓[11]，而不是電動勢，因為回路電流導致具有內阻的待測電勢本身消耗掉一部分電動勢. 補償法克服了這一缺點，通過可調電動勢E0與待測電動勢Ex相互補償，當調節至電路中無電流即IG=0時，Ex=E0. 其原理圖如圖1所示.

圖1 補償法原理圖

補償法是一種精確測量電動勢的常用方法，利用補償法設計的儀器稱為電位差計[12-14].

2 十一線電位差計測量電動勢原理

2.1 電位差計原理圖

我校使用的是十一線電位差計，實驗器材由兩部分構成：一部分為直流電位差計實驗儀，它集成了標準電池、檢流計、工作電源、待測電勢以及換向開關等；另一部分為十一線電位差計，內有一根11 m長的電阻絲. 電位差計工作原理如圖2所示.

圖2 電位差計測量電動勢原理圖

其中，E為工作電源,A、B為電阻絲的接頭插孔，電阻絲總長11 m,C、D為位置可調節的觸點,EN為標準電動勢1.018 6 V,Ex為待測電動勢,K2為轉換開關,G為檢流計.

2.2 電位差計實驗中的補償法

使用電位差計過程中兩次用到補償法，第一次是定標:將C、D兩點之間電壓與標準電動勢EN補償,調整開關K2，將標準電動勢接入電路，計算并設定C、D兩點之間的電阻絲的定標長度為LCD0,有

(1)

其中，EN為標準電動勢，取值為1.018 60 V；u0為矯正系數(單位長度的電阻絲上的電壓大小).

定標方式有兩種，如圖2所示，第一種方式：電源電壓E直接加到11 m長的電阻絲兩端(A、B兩點)，調節電源電壓E的大小使檢流計示數為零，可實現定標(即單位長度的電阻絲電壓大小達到所需標準). 第二種方式：固定電源電壓E(E的取值需大于11u0，否則無法實現定標)，將電阻Rx接入回路，調節Rx實現定標.

第二次用到補償法是測量：將待測電動勢與C、D兩點之間電壓進行比較，此時向下扳動換向開關K2，將待測電動勢接入電路，改變C、D段長度，使檢流計示數為零，從而達到補償狀態. 基于設定的校正系數，可計算待測電動勢的大小為

Ex=LCDu0

(2)

其中，Ex為待測電動勢，u0為矯正系數.

3 基于LabVIEW的十一線電位差計測量電動勢虛擬儀器的設計

參照我校當前使用的FB322型直流電位差計實驗儀和FB325型十一線電位差計的面板對虛擬儀器的面板進行了設計.

3.1 系統前面板效果與對比

圖3 FB322型直流電位差計實驗儀

圖4 基于LabVIEW設計的電位差計實驗儀

在功能上，基于LabVIEW開發的實驗儀基本實現了實際儀器的功能，可以模擬所有實驗操作. 由于LabVIEW功能所限，游標尺的功能無法實現，圖5中調節D接觸點的游標部分采用了在圖6所示的虛擬儀器面板，上面加了顯示C、D間電阻絲長度的窗口，并且增加了細調功能，使得虛擬儀器有良好的使用體驗.

圖5 FB325型十一線電位差計

圖6 基于LabVIEW設計的十一線電位差計

3.2 程序框圖與參數設置

1) 雙向開關K2模塊的相關程序框圖如圖7所示，其中，雙向開關的數值化取值為0、1、2，對應不同的模式選擇，當開關值取0時，待測電動勢接入電路并參與相關程序運算；當開關取值1時，電路為斷開狀態；當開關取值2時，標準電動勢接入電路.

圖7 雙向開關模塊程序框圖

2) 電源電壓模塊程序思路

電源電壓由粗調旋鈕和細調旋鈕共同決定.在實際儀器中，電壓細調的精度應該大于等于檢流計精度的最高擋位才能夠滿足細調的要求.

在設計該模塊時，用鼠標操作虛擬儀器細調旋鈕難免導致旋轉的波動性較大，因此將細調旋鈕靈活轉為擋位旋轉與按鍵配合.

圖8 電源電壓的粗調細調旋鈕

通過粗調確定大致位置，然后選擇細調擋位，單擊增大或減小按鈕，即可對應擋位的數值. 如細調擋位選擇為10-3，則每次單擊增大按鈕，電源電壓都會增大0.001 V. 最高擋位為10-6V. 程序框圖如圖9所示：

圖9 調節電源電壓的程序框圖

3) 11 m電阻絲阻值的設計思路

根據實驗儀器的調節精度和基本參數，設置虛擬儀器參數的依據如下：電阻絲的長度精確到毫米，電阻箱的最小擋位為0.1 Ω，在上文講述的第二種定標方式中，電阻絲和電阻箱串聯形成回路，因此在設計虛擬儀器時可以取1 mm的電阻絲阻值為0.1 Ω，11 m長的電阻絲阻值取1 100 Ω.電阻絲阻值也可以基于補償法實驗原理來推導.

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

設滑動變阻器為Ex，十一線電位差計電阻為Rab，由歐姆定律直觀可得

(3)

因為Rx在使用到最大量級時調節范圍為100～1 000 Ω，通過上式可計算出Rab的取值范圍為

(4)

取此范圍內的值作為十一線電位差計的阻值，則待測電勢R′ab的計算公式為

(5)

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

圖10 十一線電位差計電阻實現方式

4) 十一線模塊功能實現方式

十一點電阻絲分為整數部分與小數部分，整數部分有兩列，共10個插孔，小數部分為可調旋鈕刻度盤. 通過選擇插孔配合可調旋鈕刻度盤實現0～11 Ω的電阻選擇. 在該部分虛擬儀器的設計中，采取了事件結構來處理10個插孔，每一個插孔對應一個布爾原件. 單擊某一個布爾原件，該插孔亮起，其他9個布爾原件會熄滅，將亮起的布爾原件對應的數值輸出，即確定了整數部分. 小數部分采用旋鈕類控件，設定范圍只作為0～1的小數部分.整數部分選擇5號插孔為例，程序框圖如圖11所示.

圖11 十一線模塊程序框圖

由于實際儀器中，小數部分的精度為10-3m,因此，同樣采取了電壓細調擋位配合增減按鍵調節小數部分的方式，使得調節精度能夠達到10-5m，效果較好. 圖12框圖右下部分是為了約束小數部分調節范圍在0～1 m內，對超出范圍的調節操作不予回應并修正.

5) 檢流計模塊的程序思路

檢流計的示數可以通過比較兩端的電壓差實現，這也正是補償法的優勢，是精確測量電動勢的常用方法. 而檢流計能夠到達的精度可以通過電源電壓的擋位結合歐姆定律來推導.

此外，當檢流計的示數因為實驗操作超出量程時，溢出指示燈會亮起. 保護電阻與初始誤差也被考慮在內，最終的程序框圖如圖12所示.

圖12 流計模塊程序框圖

6) 隨機性處理

為了使虛擬儀器的使用體驗更接近于真實儀器，在虛擬儀器中增加了一些隨機參數，由于在電學實驗的實際操作中，電路連接的接觸電阻具有一定的隨機性，因此在虛擬儀器的連線插孔處加了0.05～0.5 Ω的隨機電阻，實際檢流計在測量前需要初始調零，故每次在虛擬儀器開啟時，都會為檢流計加一個隨機誤差. 該部分的程序框圖如圖13所示.

圖13 隨機數應用的程序框圖

本虛擬實驗系統的總程序框圖如圖14所示.

圖14 系統總體程序框圖

3.3 程序功能說明

1) 系統默認初始化

實驗時，儀器總開關接通、各路開關處于斷開狀態，保護電阻接入電路，電源電壓、檢流計開關、標準電池均置于“內附”擋，檢流計賦予初始誤差，可用機械調零旋鈕調零.

2) 各模塊可實現的功能

調整雙向開關可選擇接入標準電動勢，或接入待測電動勢進行測量.檢流計在調零后，可以調整靈敏度擋位，檢流計提供溢出警示，在示數超出量程時點亮.電源電壓可通過粗調與細調旋鈕調節，待測電動勢可接入0.3 V、1.2 V、1.7 V以供選擇.

十一線電位差計可根據左側接線孔選擇0～10 m的整數部分，右側旋鈕選擇0～1 m的具體數值，兩部分數值的組合即LCD的長度.

保護電阻、檢流計、電阻箱和標準電池可根據需要使用開關斷開或者接入、外接或者內附.

4 結論

基于LabVIEW開發平臺研究的“十一線電位差計測量電動勢”虛擬物理實驗儀器可實現實際儀器的全部功能，完全能夠模擬電位差計測量電動勢的全過程. 本實驗系統可完全脫離編程平臺，在其他計算機上操作，無虛安裝其他軟件. 本文的作者還開發了虛擬的雙臂電橋實驗儀，在虛擬儀器中還添加了電路接線的環節，對于錯誤的連線虛擬儀器會示錯，在2021年春季學期將開發的虛擬儀器上傳到QQ群供學生下載課前預習用，截止目前總下載使用次數共105次. 筆者在中國大學慕課網進行了虛擬儀器的使用問卷調查，83.3%的學生認為對預習該實驗有幫助，20.8%的同學認為虛擬儀器高度仿真實驗儀器，72.9%的同學認為做到了大部分仿真，同學們談了使用感受并積極提出一些改進意見. 虛擬儀器在一定程度上彌補了線上物理實驗教學的短板，探索了新的教學模式[15]，為助力學生進行物理實驗的課前預習和課后復習取得良好的效果，同時配合MOOC精品課程的建設，豐富了物理實驗線上教學的內容，具有較大的應用前景[16-18].