安培力分析仪的设计

骆换昌



安培力分析仪的设计

骆换昌

摘 要：探究安培力是高中物理教学中的一个重要实验。课程标准要求学生通过实验认识安培力，学会判断安培力的方向并计算匀强磁场中安培力的大小。但现有实验器材只能演示通电直导线在磁场中的受力情况，而无法展现安培力的定量关系。为此，利用现代传感器技术、myDAQ数据采集器、Labview编程软件设计了一套实验器材，用于探究安培力的大小变化的规律。

关键词：安培力；高中物理教学；实验设计

一、背景

中学阶段用来演示安培力的器材主要采用J2447型安培力演示器。它可以演示通电直导线在磁场中的受力情况，让学生掌握安培力产生的原理。但不足的是，J2447型安培力演示器无法从定量的角度演示安培力与电流、导线长度、磁场的关系。

为了测量安培力与电流、导向长度、磁场3个物理量的关系，有些教师设计新的实验方案，通过PASCO、朗威等数据采集器测量安培力。但是，这些力传感器的特点是测量范围大、分辨率比较低，而物理实验时测量的安培力变化比较小，采用力传感器测量的安培力数据变化不明显，影响实验的演示效果。

针对以上仪器的不足，笔者设计了一款安培力探究实验仪，用于测量安培力的实验探究。

二、设计原理

安培力的大小与磁场、导线长度、电流有关，因此，设计的器材需要测量4个物理量。在本设计中，笔者用电流表测量电流，用尺测量导线的长度。但磁场和安培力的大小，很难用常规的器材测量。因此，笔者采用现代的传感器技术测量这两个物理量，先将力传感器、磁传感器的信号进行放大处理，再运用程序控制myDAQ数据采集器采集放大后的信号，最后用计算机完成数据处理。

三、实验器材的设计

1.力传感器电路设计

实验时测量的安培力是一个比较小的数值，而中学实验室所用的弹簧秤精度比较低，很难保证实验数据的准确。因此，我们要借助现代电子技术，设计一个量程小、分辨率高的力传感器，电路图如图1所示。

图1 力传感器电路图

电路原理：设计力传感器电路的仪器为1 kg的电阻应变式压力传感器、AD623、LM358。电路设计步骤如下：（1）电路应用5 V直流电供电，将应变桥的信号输入到AD623进行放大处理；（2）调节AD623 1， 8脚之间的外接电阻RG，把放大器的放大倍数调到100；（3）利用LM358给AD623提供参考电压，通过调整R8的大小调节提供给AD623的参考电压。

2.磁传感器电路的设计

磁传感器电路图如图2所示。

图2 磁传感器电路图

电路原理：设计磁传感器电路的主要仪器为霍尔元件、AD620。本电路将两个霍尔元件背靠背使用，在忽略两者厚度的情况下，分别得到同一个磁场的正负值。对这组数据进行四则运算，就可以得到部分消除系统误差的平均值（详细可以参考普通电磁学实验的线圈轴线磁场测量里面更换电源极性和霍尔激励电压极性里面的误差讨论）。

霍尔元件将磁场强度转换为弱电信号，输出一般为几毫伏的电压，需对其进行放大。这里采用AD620仪器放大器，通过改变1，8引脚之间跨接的电阻调整放大倍数。

3.磁场的设计

分析安培力，需要探究安培力与磁场的关系。为了方便地改变磁场大小，笔者专门设计电磁铁，用于产生磁场，电磁铁结构图如图3所示。

图3 电磁铁结构图

四、编写软件

在编写计算机程序的环节，笔者采用NI公司开发的一种基于图形化编程语言的开发环境LabVIEW。同时，采用NI公司的myDAQ 作为数据采集中心。NI myDAQ包括200 kS/s和16位的两个模拟输入及输出，能为电路提供+5 V，+15 V，-15 V的电源。

具体操作步骤：（1）在Labview环境下编程，运用myDAQ的两路模拟输入端对力传感器与磁传感器进行数据采集；（2）对采集后的数据分析处理，计算出所要测量的数值。

1.程序结构

根据本程序的设计需要，程序设计采用多任务框架，一共使用3个独立的循环，分别用于处理GUI事件、数据采集、数据处理。主程序图如图4所示。

图4 主程序图

（1）使用队列传递各种控制指令

程序创建队列，用于GUI循环、数据采集循环、数据处理循环之间传递控制命令，它使用由字符串和变体构成的簇作为数据类型。队列数据中的字符串作为控制命令，使用“Section：：Instruction”作为指令格式。其中Section 部分用于指令要选择的程序块所属逻辑分类，Instruction 指出该类中的相应模块。例如，“DAQ：：Start”指令就是希望程序执行“数据采集”程序部分的“开始”模块。

（2）GUI事件

程序放置事件结构来收集来自用户界面的各种请求。当某个用户事件发生后，将对应的命令置入队列中等待程序处理。例如，当用户单击“Start”按钮，可以将请求采集数据的指令“DAQ：：Start”置入队列，以命令数据采集循环进行数据采集。

（3）使用选择结构的各分支响应各种命令请求

GUI循环生产各种指令并置入队列，数据采集循环或数据处理循环不断从该队列中逐个取出数据，并对数据进行解析，再按照指令字符串来选择循环中对应的分支执行。例如，从队列中取出的簇中，指令字符串值为“DAQ：：Start”，则选择结构中的对应分支开始执行，以完成数据采集。

2.采集数据程序

本设计的核心是数据采集程序。Labview包含对myDAQ进行操作的函数，只要调用这些函数并进行适当的参数设计，就可以进行数据采集。操作步骤为：（1）调用DAQmx创建虚拟通道；（2）设置采样时钟；（3）调用DAQmx开始任务；（4）DAQmx读取；（5）读完数据，停止DAQmx，释放资源。具体程序如图5所示。

图5 采集数据程序图

五、系统测试

实验器材：J1209高中教学电源、myDAQ、力传感器、磁场强度传感器、自制线圈、滑动变阻器、电流表、自制匀强磁场。

（1）当磁感应强度B与线圈工作电流I一定时，探究安培力F与线圈长度l的关系。保持线圈电流I=1.5 A，通过连接不同匝数的线圈，从而改变通电线圈在磁场中的有效长度。测得安培力的数值见表1。

表1

（2）当磁感应强度B与线圈长度l 一定时，探究安培力F与线圈工作电流I的关系。保持接入电路中的线圈长度为3l ，通过改变滑动变阻器的阻值改变通电线圈的工作电流。测得数值见表2。

表2

（3）当线圈工作电流I与线圈长度l一定时，探究安培力F与磁感应强度B的关系。线圈电流保持不变、接入电路中的线圈长度保持为3l ，通过调节电磁铁的励磁电流来改变磁感应的强度。所测数值如表3所示。

表3

（4）实验结果：通过以上3组数据，我们可以观察到安培力的大小（F）与电流强度（I）、线圈的长度（l ）、磁感应强度（B）基本成正比关系。

六、结束语

在现有中学物理教材中，教师可以演示通电直导线在磁场中的受力情况，让学生理解安培力的方向和产生原理，但没办法准确测量其大小。这使得学生无法对安培力与电流、导线长度、磁场的定量关系（F =BIL ）有深刻的认识。

而笔者设计的安培力定量分析仪，填补了中学物理实验中探究安培力实验器材的空白。通过这套实验器材，老师既能直接演示安培力与3个物理量的关系，让学生对此有感性的认识，同时还可以通过数据的定量分析进一步验证安培力与这3个物理量的关系。

参考文献

［1］ 冯容士，李鼎.DIS安培力实验器［J］.物理教学，2012（8）：20-24.

［2］ 赵西样.安培力大小实验的改进［J］.教学仪器与实验，2011（9）：16-18.

［3］ 吴亿年，陈世谦，王双维.安培力定量演示器设计与实验研究［J］.物理教师，2002（9）：25-28.

［4］ 徐忠岳.安培力定量演示装置的改进［J］.中小学实验与装备，2008（1）：28-29.

［5］ 王志斌，王琳，余金龙.定量探究安培力的创新设计［J］.教学仪器与实验，2011（6）：19-20.

作者信息

骆换昌，本科，实验师。广东广雅中学，540160