设计基于LabVIEW 的大学物理虚拟实验——以“惠斯通直流单臂电桥测电阻”为例

王 星 陈建勇 谢 东

（1.桂林航天工业学院 理学院 广西桂林 541004；2.桂林理工大学博文管理学院文理学院 广西桂林 541000）

一、引言

（一）LabVIEW 的虚拟仪器开发平台

LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）实验虚拟仪器开发平台是以一种用图标来代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。它具有编程简单、开发周期短、高效、自定义性强且性价比高等优点。在Labview中，用户界面也被称为前面板，与之对应的是程序框图面板，前面板上的每一个图标都对应着程序框图中的一个对象，使用图标及连线再通过编程的方式对前面板上的对象控制，从而实现虚拟仪器的开发。[1-2]

（二）惠斯通电桥法电阻的实验原理

惠斯通电桥的基本电路如图1所示，电路由被测电阻Rx、标准电阻R0，R1和R2构成惠斯通电桥的四个臂。在C、D两端加上一定的直流电压，在AB之间接入用来检测其间有无电流检流计G，当检流计指针指向中心0处，说明AB之间没有电流即AB两点的电位相等。“桥”指AB这段电路，其作用是将A、B两点的电位进行比较，以此确定电桥的平衡状态。

图1 惠斯通电桥的基本电路图

接通后，电路中即会有电流流过，并且在各臂的电阻两侧产生电压。使得A、B两点间将有电位差，导致有电流I通过检流计G，使检流计G的指针立即发生偏转。调节R1、R2或R0，使A、B两点间的电位达到相等，这时若无电流通过检流计G，即I＝0，则称电桥达到了平衡。根据电路图可知，当电桥平衡时，电桥四个臂上电阻的关系为：

二、惠斯通电桥虚拟仿真实验设计结构

惠斯通电桥虚拟仿真实验从虚拟仪器构造角度讲，分为基本模块和辅助模块两个大部分，基本模块包括用户界面、情境创设、过程仿真、数据处理等。辅助模块则包含实验过程演示和练习测试模块。[4-5]

（一）用户界面

构建的和谐、逼真的人机界面是虚拟实验系统要解决的首要问题。惠斯通电桥虚拟仿真实验在制作时基本使用与实验室中的真实仪器的构造完全一致并在视觉上稍做美化，以此制作出的用户界面和谐友好、方便操作、逼近物理原型。

（二）情境创设

惠斯通直流单臂虚拟实验要依据学生以往的知识背景及需求，呈现具体的实验目的、实验原理、在物理学中的地位等相关背景资料以及相关环境等信息。以学生认知的顺序来设置实验目的，让学生了解学习惠斯通电桥测电阻的原因并且要完成哪些实验内容；实验原理使学生了解惠斯通单臂电桥可以测量位置电阻的方法；实验仪器使学生了解仪器各处面板、按钮的作用以及仪器内部的构造，使学生对仪器有深入的了解；实验内容让学生了解实验该如何进行，如何可以测量出正确的实验结果。

（三）过程仿真

由于实验步骤模块关系到学生是否能将在惠斯登直流单臂电桥虚拟实验中获得的技能向真实的操作能力迁移，所以对实验步骤以及仿真实验模块设计的要求是提供一个与真实实验相近的虚拟实验环境，如仪器、操作时仪器的反应，这些需要根据实验仪器原理进行编程，从而实现定量反馈。

（四）数据处理

实验数据是对实验结果分析的依据，是探索、验证物理规律的第一手资料，对实验数据的处理是实验过程的重要内容之一。数据处理模块使学生摆脱烦琐的计算，集中精力于实验本身，学习者通过该模块对实验数据进行处理和分析。

三、惠斯通虚拟仿真实验使用说明

图2 惠斯通单臂电桥测电阻虚拟仿真实验界面

开始进行惠斯通电桥仿真实验，从界面的左下角选择所需仪器（图2），然后按下“电源开关”，仪器上的红色指示灯亮起，表示电源接通。操作检流计在不同灵敏度下调零，调零后选择未知电阻，若测量多个位置电阻则选择电阻的连接方式（图中选择的是R2和R4，连接方式为并联）。程序设置每次进入程序未知电阻的阻值都会改变。

转动主界面上的“R1和R2”按钮，选择倍率；按下粗调，电源（单），转动下方的五个旋钮调节R0的阻值至检流计指向0。接下来按下细调按钮和电源（单），进行细调，继续转动五个旋钮调节R0的阻值至检流计指向0，测量结束。进入数据处理，填写实验数据，实验结束。学生可以在实验界面和数据处理界面来回切换，并且将测量的结果写入表格中，按照数据处理的公式进行通过程序自动计算得到未知电阻的结果。

四、结论

用LabVIEW制作的单臂电桥测量电阻实验系统不仅模拟了传统物理实验的操作过程，而且还加入了数据处理模块，实验数据采集完成后即可得出实验数据处理结果，使实验的效率大大提高，可用于远程虚拟实验室建设，也可作为演示实验应用于实验教学的课堂中。把LabVIEW制作的仿真实验系统应用于物理实验教学中，不仅能够降低实验教学成本改善教学条件，更为重要的是，软件界面的真实性和可操作性，能给学生以身临其境的感受，有利于调动学生学习的自觉性，培养学生的创新能力。