利用LabVIEW改进弦振动实验仪

曲文葛，王本阳，王新顺

(哈尔滨工业大学(威海) 大学物理实验中心，山东 威海 264200)

利用LabVIEW改进弦振动实验仪

曲文葛，王本阳，王新顺

(哈尔滨工业大学(威海) 大学物理实验中心，山东 威海 264200)

对传统弦振动实验进行改进，利用LabVIEW的图形化程序设计及数据采集卡的LabVIEW函数调用，编写LabVIEW程序控制采集弦振动信号的数据采集卡，实现弦振动信号的计算机显示，并通过编写LabVIEW程序进行傅里叶变换频谱分析.

弦振动；LabVIEW；频谱分析；采集卡

弦振动实验在近现代大学物理实验中占有比较重要的地位，它涵盖了经典力学中的振动以及波动理论的主要内容[1]. 在当代的大学物理实验中，弦线振动已经由音叉驱动改进为驱动线圈磁场安培力驱动，保证了驱动信号的持续性和稳定性[2]. 而在接收信号方面普遍采用模拟示波器进行模拟信号输入，学生实验中不能对输入信号进行实时信号分析验证，比如频谱分析、小波分析等. 本文利用高速数据采集卡对弦振动线圈输出信号进行调制输出，然后进行LabVIEW编程，对信号进行计算机处理和存档，将计算机技术和实验技术相结合，并对学生的实验进度进行提升，使学生能在一节实验课内完整地完成变换驱动频率、张力、弦长、弦线密度4项参量的测量.

1 弦振动基本原理

弦振动实验主要观察和验证驻波形成条件，在实验中，驱动线圈形成的磁场给予线圈安培力，产生周期性振动从而产生入射波和反射波. 以某点为坐标原点，入射波和反射波的方程分别为

(1)

(2)

式中，A为简谐波的振幅，f为频率，λ为波长.

当2波满足驻波形成条件时，产生合成波：

(3)

(4)

此时合成波在波腹位置振幅最大. 在波节位置处

(5)

此时合成波在波节位置处振幅最小.

在实验中当传感器放置在波腹位置附近，合成波的输出时域波形振幅最大.

又由弦线只能形成整数倍驻波，可列出

(6)

弦上波的传播速度为

(7)

式中，T为弦线张力，ρ为弦线密度[3].

联立(6)和(7)式，得出弦上驻波形成条件的入射波频率为

(8)

在弦振动实验中，可以独立改变弦线密度ρ、弦线张力T、弦长L来进行理论公式的验证.

2 采集系统硬件设计

采用杭州大华的DH0803弦振动实验仪，用信号源及驱动线圈产生安培力使弦线振动，将接收线圈的模拟信号进行信号放大，并将此信号接入到数据采集卡，采集卡将该模拟信号转换为数字信号传输至LabVIEW程序中[4]，经过编程后，由电脑运行程序显示到电脑屏幕上. 硬件工作流程框图如图1所示.

图1 硬件工作流程图

实验时，将砝码挂在实验台挂钩上，并保证水平，可以给弦线提供稳定的张力，调节信号源的驱动频率，使驱动线圈对弦线产生特定频率的安培力. 弦振动采集系统实物图如图2所示.

图2 弦振动采集系统实物图

3 采集系统软件设计

利用编写的数据采集软件集中对采集卡进行LabVIEW编程，然后对采集信息进行频谱变换. 先设置端口号，保证与计算机、采集卡匹配，再设置各通道量程、采样率、采样数据等参量，最后进行采集操作[5]. LabVIEW将采集的数据通过波形界面在计算机终端显示，并将数据处理后，在计算机终端同步显示出频谱数据. 完成驻波调试后，可存储波形数据[6]. 软件流程图如图3所示.

用LabVIEW程序的函数调用方法打开采集卡，设置并采集数据. 采集数据时，采集卡对2个通道分别返回1组一维数组，通道2直接输出时域波形信号[7]，将仪器在经过对通道1的时域量程和采样点数设置后，通道1在显示时域波形信号的同时，利用LabVIEW的分析模块，对通道1信号进行汉宁窗滤波，然后进行频域变换，对信号波形及频谱进行正确的显示[8]. 图4为对采集数据的采集分析.

图4 采集系统LabVIEW程序采集分析部分

4 实验结果

4.1 单个驻波共振频率

实验条件是：拉力T=9.8 N，弦长L=56 cm，弦线密度ρ=1.030 g/m. 通过(8)式可算得单个驻波共振频率理论值f=84.95 Hz. 经过驻波形成调试，观察到信号源的驱动频率85.2 Hz，而本文的软件程序在计算机终端显示为85.0 Hz处,如图5所示.

图5 在驱动频率85.2 Hz处产生驻波现象

从图5中可以看到在170 Hz和255 Hz附近产生了倍频，让学生对合成波不是完美的正弦波形有了更直观确切的理解.

4.2 2个驻波共振频率

经过理论计算可得，理论的驻波共振频率f理=169.90 Hz，而在实验测量中，实际调试出来的信号源驱动频率f驱=175.6 Hz，经软件显示发现，在175.0 Hz处频谱信号最强，弦线振动也最为明显，如图6所示. 观察图6中的频谱显示 图，调试2个驻波过程中，在175.0 Hz处，有最大的频谱强度，并且在该条件下，弦线在350.0 Hz处产生明显的倍频现象.

图6 在驱动频率175.6 Hz处产生驻波现象

5 结束语

实验研究发现，通过LabVIEW编程控制采集卡收集合成波数据并进行频谱分析，比以往实验中，学生只能采用观察示波器波形大小，用信号源驱动频率值作为共振频率，判断方法更为科学和直观[9]，并且计算出的驻波共振频率比传统方法准确性略有提升. 实验程序可以由多个窗口实时处理和显示数据，对学生的实验进度提升都有很大帮助. 由于对信号采用了滤波和傅里叶变换，学生可以更容易深刻理解弦振动实验原理和函数关系，而且更加理解傅里叶变换在实验工程中的意义.

[1] 杨述武,马葭生，贾玉民，等. 普通物理实验(一、力学及热学部分)[M]. 北京:高等教育出版社,2000：180-185.

[2] 张宇亮,赵斌,王茂香. 弦振动实验中驻波波长的测量方法[J]. 实验科学与技术,2016,14(1):42-45.

[3] 苗锟,黄育红，李康，等. 弦振动形成驻波的规律和数据的MATLAB处理[J]. 大学物理实验,2010,23(4):75-79.

[4] 王力,施芸诚,杨忠杰,等. 基于LabVIEW的锁相放大器设计与测量[J]. 物理实验,2015,35(9):33-36.

[5] 戴皓挺，倪晨，方凯，等. 基于LabVIEW研究硅光电池特性[J]. 物理实验,2014,34(10):18-25.

[6] 李红刚,张素萍. 基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计[J]. 国外电子测量技术,2014,33(4):62-67.

[7] 王建中,黄林,唐一文. 基于LabVIEW机器视觉的迈克耳孙干涉仪实验[J]. 物理实验，2014,34(11):40-42.

[8] 周青云,王建勋. 基于USB接口与LabVIEW的数据采集系统设计[J]. 实验室研究与探索,2011,30(8):238-240.

[9] 王荣,牛英煜. 利用弦振动方程研究驻波特性[J]. 实验室研究与探索,2012,32(7):36-39.

[责任编辑：尹冬梅]

Improving the string vibration instrument with LabVIEW

QU Wen-ge, WANG Ben-yang, WANG Xin-shun

(Physical Experiment Center, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264200, China)

LabVIEW and data acquisition (DAQ) card were used to improve the string vibration instrument. Owing to the advantages of GUI design and function calls of DAQ, the time-domain signal of string vibration and its FFT frequency analysis result were displayed on a computer.

string vibration; LabVIEW; frequency analysis; DAQ card

2016-05-31；修改日期：2016-09-20

曲文葛(1986-)，男，山东荣成人，哈尔滨工业大学(威海)大学物理实验中心助理工程师，硕士，从事仪器总体技术研究.

王新顺(1966-)，男，河南长垣人，哈尔滨工业大学(威海)大学物理实验中心副教授，博士，从事激光与物质相互作用研究.

O321

A

1005-4642(2017)04-0016-03

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文