基于LabVIEW的單臂直流電橋實驗仿真系統

曲長紅,馮正南

(北華大學 理學院,吉林 吉林 132001)

以在計算機上運行虛擬儀器軟件進行仿真為主要形式的虛擬儀器,是計算機技術與儀器技術交叉融合而產生的新技術[1]。LabVIEW與其它計算機語言的顯著區別是:其它計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼,而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序,產生的程序是框圖的形式。使用LabVIEW軟件可充分發揮計算機的能力,利用強大的數據處理功能,可以創造出功能更強大的設備、儀器。LabVIEW具有操作方法便捷、直觀,避免了繁瑣的文本編程語言,圖形化編輯語言利于程序的改寫完善。

基于LabVIEW的自組式直流電橋實驗,是基礎電學仿真系列實驗之一,可用于學生實驗的課前預習和教師的在線課堂演示。在使用過程中,可以根據本校實驗特點隨時進行修改和維護,對開發者來說,既加強了本專業課程的學習,又實現了相關學科的深度學習與融合。

1 惠斯通電橋工作原理

單臂直流電橋又稱惠斯通電橋,主要用于測量中阻值電阻(10～105Ω)[2]。其電路由橋臂電阻、電源和檢流計等元件組成,通過比較被測電阻與標準電阻得到測量結果[3～5]。 其電路如圖1所示,四個電阻R0、R1、R2、Rx連成四邊形,稱為電橋的四個臂[6]。

圖1 惠斯通電橋原理圖

(1)

(2)

這樣就避免了因比率臂電阻R1、R2電阻不準確帶來的誤差。當然從公式(2)中雖然沒有比率臂電阻R1、R2的出現,但它們的數值大小將影響系統的靈敏度。

2 設計的程序技術

該程序(見圖2)采用由上至下的設計模式(Top-Down),先明確系統總體要求和性能參數,然后明確功能模塊,如信號產生,數據讀取,數據分析等,模塊結構不但增加了程序可維護性,也可以增加可讀性。

圖2 仿真實驗系統程序框圖

程序總體共有兩個界面,分別為:實驗原理界面(見圖3)和實驗操作及數據處理界面(見圖4)。通過選項卡控件實現界面的切換。實驗操作及數據處理界面包含實驗內容及步驟、操作面板、實驗報告三個板塊。

圖3 仿真實驗原理界面

圖4 仿真實驗操作及數據處理界面

操作面板(見圖5)包括一個直流穩壓電源、一個靈敏電流計、四個直流電阻箱、電路圖、線路圖以及八個功能按鈕。

圖5 操作面板界面

2.1 直流電阻箱的設計

電阻箱界面(見圖5)由六個旋鈕控件和一個數值顯示控件組成。旋鈕改變指針指向產生不同數值,通過數值控件編程計算(見圖6)輸出至數值顯示控件在前面板顯示,為模仿真實實驗過程中電阻箱準確度級別的誤差,對每一檔的電阻再次編程,改變輸出值與數組控件連接輸出電阻真實值,不在前面板顯示。兩個數值存在一定的偏差。

2.2 直流穩壓電源的設計

直流穩壓電源界面(見圖5)由旋鈕、儀表、數值輸入控件、數值顯示控件和布爾元件組成。布爾元件代表著電源的開關,旋鈕連接數值輸入控件輸入數值,儀表連接數值顯示控件,旋鈕與儀表連接,產生輸出,直流穩壓電源程序模塊如圖7所示。

圖7 直流穩壓電源模塊

2.3 靈敏電流表的設計

靈敏電流計界面(見圖5)由儀表和布爾元件組成,其程序模塊設計如圖8所示。將前列收集到的電阻、電壓等數據通過公式0.1*Us(R1R3-R2Rx)/(R1+R2)*(Rx+R3)(見圖9),得到的結果再除以預設值來模擬靈敏電流計的偏轉。同時將該數值與過載電流的數值大小進行比較,利用條件結構辨別:創建布爾控件的屬性節點,分別為可見和對象高亮顯示,賦予可見屬性節點為真常量,滿足判斷條件則布爾元件亮起產生提醒。

圖8 靈敏電流計模塊

圖9 配置公式用圖

2.4 功能按鈕的設計

以控制數據清零的確定按鈕為例(見圖10),調節多個表格控件和數值顯示控件的屬性節點為值顯示。數值顯示控件賦值數學常量為零;表格控件賦值數組常量為零。利用布爾元件控制,點擊調節所有對應的控件清零。

圖10 數據清零

3 惠斯通電橋實驗仿真系統的使用方法

首先點擊程序左上方的白色箭頭來運行此VI。本仿真實驗共設計有四個實驗內容,分別為①非交換測量待測電阻;②交換測量待測電阻;③根據待測電阻的有效數字位數設計比例系數k值;④測量電橋靈敏度。下面以交換測量待測電阻這個實驗內容為例(見圖11),介紹其使用方法及步驟。

圖11 交換測量待測電阻

開始實驗,①令Rx粗測值為1 000.6 Ω,選取R1、R2均為500 Ω,開啟直流穩壓電源。②該狀態下估算R0值為1 000 Ω。從高到低調節R0電阻箱旋鈕,檔位為1 000的旋鈕到1位置,發現檢流計指針向右偏移越過平衡位置,故將檔位1 000的旋鈕調到0位置;調節檔位為100的旋鈕,直至10位置,指針向右偏移越過平衡位置,故將檔位為100旋鈕調到9位置;調節檔位為10旋鈕直至10時檢流計指針向右偏移越過平衡位置,故將檔位為10旋鈕調到9位置;調節檔位為1旋鈕,調整旋鈕位置至8時檢流計指針向右偏移越過平衡位置,故將檔位為1旋鈕調節到7位置;調節檔位為0.1旋鈕,直到指針出現偏移,將旋鈕調節到檢流計出現偏移前的最大位置。③點擊“保存數據換臂前”按鈕記錄數據。④關閉電源電壓將R0調0,進行交換測量,點擊“交換測量(前)”按鈕,測量換臂后,待測電阻阻值Rx的阻值,按照上述操作,得到R02的值,點擊“保存數據換臂后”按鈕記錄數據。⑤本次實驗操作數據共六組。保持Rx粗測值均為1 000.6 Ω,R1、R2值分別為從第一組均為500 Ω開始每組增加500 Ω直至第六組R1、R2為3 000 Ω。將六組R01,R02值分別輸入至交換測量結果及其不確定度報告中,結果處理如圖12所示。交換測量仿真與真實實驗數據對比結果如圖13所示。

圖12 交換測量結果及其不確定度

圖13 交換測量仿真與真實實驗數據對比圖

4 結 論

LabVIEW是一種功能強大的虛擬儀器開放平臺[7]。自組式直流電橋實驗仿真系統在數據與測試方面完全達到真實實驗要求,測試效果良好。在程序運行過程中,可以直接看到數據的變化及時進行操作,改變電流計指針方向,同時實時采集數據并保存,依照教材要求,形成數據表格。該仿真系統能有效利用計算機、多媒體等現代化設備調動學生的積極性,也能加深學生對實驗的理解,更好地完成實驗。由此可見,虛擬儀器技術與物理實驗教學相結合,可推動實驗教學改革,為培養應用型創新人才提供有效支撐[8-10]。