基于LabVIEW的熱敏電阻測量虛擬仿真實驗

邢家林,張宇飏,呂夢雪,毛巍威,何學敏*

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院,江蘇 南京 210023;2.南京郵電大學 理學院,江蘇 南京 210023;3.南京郵電大學 材料科學與工程學院,江蘇 南京 210023)

“用惠斯通電橋測量熱敏電阻的溫度特性”是大學物理實驗課程中的經典驗證性實驗[1]。該實驗一般要求使用電橋法測得熱敏電阻在不同溫度下的電阻值,并通過圖解法繪制出熱敏電阻的溫度特性曲線,從而計算出熱敏電阻的重要材料參數。但實際上,該實驗的操作存在一定困難。一方面,在實驗過程中常發生導線接觸不良、熱敏電阻溫度不穩定、檢流計損壞或不靈敏等問題,都會對實驗造成較大干擾[2-4];另一方面,受實驗室開放時間單一、地點固定、儀器數量有限等硬件條件的制約,學生難以得到充分的實驗訓練。

隨著信息化技術的蓬勃發展,基于虛擬儀器搭建的實驗平臺受到了各大高校和企業的大力追捧[5,6]。在眾多虛擬儀器開發平臺軟件中,LabVIEW憑借界面美觀、函數豐富、操作簡單、可視性強等優點被視為標準的數據采集和儀器控制軟件,已經廣泛應用于工程實踐和科學研究[7-13]。

為探索線上教學新模式及輔助傳統實驗室教學,本文基于LabVIEW語言[14]開發了熱敏電阻測量的虛擬實驗平臺。使用者在該平臺上可打破時間和空間的限制,完成熱敏電阻測量的全部實驗操作,并直接觀察到熱敏電阻的溫度特性曲線。該虛擬仿真實驗平臺有助于對基本物理原理、操作步驟和實驗圖像的深入理解,增強大學物理教學效果。

1 實驗原理

負溫度系數熱敏電阻又稱NTC熱敏電阻,其電阻值隨溫度增加而減小,滿足關系式[15]:

RT=Aexp(B(1/T-1/T0)) 。

(1)

其中,RT為熱敏電阻在溫度T下的電阻值T0為室溫,一般取25 ℃;A值表示熱敏電阻在T0下的標稱電阻值;B值是熱敏電阻的重要參數。對(1)式兩邊同時取對數后可得

(2)

2 設計與實現

2.1 前面板功能介紹及使用方法

該仿真實驗平臺的搭建主要分為兩部分。如圖1所示,前面板的左側采用惠斯通電橋法測量熱敏電阻阻值,右側用于實驗數據的記錄與處理,最終可直觀得到待測熱敏電阻阻值的對數隨溫度倒數的變化曲線圖,并明確給出熱敏電阻的A值與B值。具體的仿真實驗過程如下:

圖1 “熱敏電阻的測量”虛擬仿真實驗平臺的啟動界面

(1)打開電計按鈕,運行程序,可發現檢流計表盤指針左右搖晃,這是在模擬未通電時指針的偏轉情況。

(2)打開檢流計開關,指針停止晃動。調節機械調零旋鈕,使得檢流計指針指向中央零刻度,同時注意觀察,使檢流計右下角方框內的示數盡可能地接近于零(如圖2中的0.000 2 mA所示)。

圖2 檢流計調零時的狀態

(3)在圖3所示的“溫度/B值設置”模塊中,通過移動滑桿或直接輸入的方式可以設定待測熱敏電阻在室溫下的標準電阻值、B值以及溫度T,具體的數值見圖3中的方框,比如5 kΩ、3 950 K和25 ℃。再選擇合適的比率臂,然后按下左上方的電源開關,即可開始正式的實驗。其中,比率臂的大小可以通過轉動旋鈕和手動輸入(如圖3中比率臂調節旋鈕右下角方框中的1所示)兩種方式確定且理論上比率臂R1/R2的值可以取所設范圍內的任意值。

圖3 輸入熱敏電阻相關參數及調節比率臂大小

(4)如圖4所示,先在“粗調”下改變比較臂R0,使檢流計示數接近零。再選擇“細調”模式,繼續調節比較臂,使得檢流計示數精確到零,惠斯通電橋即達到平衡狀態,可將此時熱敏電阻的阻值記錄在“實驗數據記錄”區域。

圖4 電橋達到平衡狀態時的一組數據界面

(5)多次改變實驗的溫度值T,重復操作步驟(4),需要注意根據待測電阻估值選定合適的比率臂。如圖5所示,每記錄一組實驗數據,在仿真平臺右下方的圖中就會出現對應的數據點;當完成所有數據記錄后,點擊“擬合開關”,即可自動生成數據的擬合直線及其截距、斜率和擬合函數,同時給出待測熱敏電阻的A值、B值及其誤差,實現了實時、定量化的精確測量。

圖5 仿真實驗的數據測量及分析結果

2.2 程序框圖主要模塊設計

在LabVIEW中,前面板用于數據的輸入、調節與顯示,而與其對應的程序框圖(見圖6)則實現了前面板控件的邏輯關聯。下面對該平臺搭建的主要程序框圖模塊作簡要說明:

圖6 “熱敏電阻的測量”虛擬仿真實驗的主程序

(1)檢流計工作模塊

該模塊位于程序框圖的左下部分,主要由待測電阻模塊、電阻箱模塊、電流計算模塊三部分組成。其中,待測電阻模塊使用公式節點根據熱敏電阻溫度特性曲線直接構建;電阻箱模塊由×1 000、×100、×10、×1、×0.1和×0.01六個擋位的可調旋鈕組成,可實現比較臂在0～9 999.99 Ω范圍內的調節?；趫D7中的惠斯通電橋測電阻的工作原理,可寫出(3)式所列的檢流計電流Ig的表達式。而程序框圖中的電流計算模塊正是根據(3)式由基本運算單元復合運算而成。

圖7 惠斯通電橋測電阻的原理圖

(3)

(2)圖表數據擬合模塊

數據記錄區域每組輸入的溫度和阻值以數組的形式存儲,二者分別經過對數運算和倒數運算后送入線性擬合函數。將溫度與線性擬合函數的最佳線性擬合輸出捆綁為簇,并通過“擬合開關”控制該簇是否輸入XY圖形函數。此外,也將溫度與電阻值數組捆綁為簇,輸入XY圖形函數中,實現數據點在圖表中的實時、動態顯示。

(3)數據處理模塊

創建“擬合開關”的局部變量,并通過條件結構控制是否進行數據的擬合。當按下“擬合開關”時,則將線性擬合函數的擬合結果(截距和斜率)引入條件結構。使用數值字符串轉換函數、字符串拼接函數等輸出線性擬合結果;使用指數函數和基本運算函數求出B值;引用設定的A值和B值的局部變量,使用基本運算函數計算得到A值和B值的實驗誤差。

3 實驗結果

在虛擬仿真實驗平臺上重復做多次實驗,用“控制變量法”選定不同的理論A值和B值進行仿真,得到如表1所示的數據。匯總計算結果發現,熱敏電阻A值和B值的相對誤差都可以控制在1.0%以內,說明該實驗的虛擬仿真具有較高精度,達到實驗目的。

表1 “熱敏電阻的測量”虛擬仿真實驗數據

4 結 論

基于LabVIEW的虛擬仿真實驗完成了“熱敏電阻的測量”的全部實驗內容。該虛擬仿真實驗平臺配有可視化計算模塊,可以較為直觀便捷地顯示實驗結果,有助于加深對熱敏電阻的溫度特性以及惠斯通電橋法測電阻原理的理解與掌握。此外,該虛擬仿真平臺也可以考慮通過Unity3D等三維建模軟件來實現更佳的視覺效果,以進一步增強大學物理或物理實驗課程的趣味性。