基于LabVIEW的电位差计虚拟实验系统

李文韬，孙茜茜，陆辰凌，余茗舟，张红光，王增旭

(1. 南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003；2. 南京邮电大学 理学院，江苏 南京 210003)

随着信息技术的飞速发展，教育和教学方式日新月异. 翻转课堂的教学理念大大地拓展了现代课堂的时间和空间维度，在线教育正在成为一种时代潮流[1]. 相比于理论课程，实验课程的教学存在线上不能进行实际操作的短板. 因此，开发相关的线上虚拟物理实验系统[2]有着重要意义，从认知学的视角看虚拟教学仪器对于学生的学习有帮助作用[3].在国外基于LabVIEW平台开发的虚拟实验仪器很早就用于教学[4]，并陆续开发了各种线上实验室用于教学[5-7]. 近年来国内也有一些基于LabVIEW的虚拟物理实验系统的工作[8-10]，实践证明LabVIEW用于开发虚拟物理实验是一个较好的平台.

本文基于LabVIEW平台开发了可用于模拟“电位差计测量电动势”实验的虚拟物理实验系统. 本系统的实验参数是根据我校目前使用的FB332型直流电位差计实验仪的使用体验进行计算和调节的，实践证明它较好的仿真了实际物理实验过程，对于预习本实验的同学理解实验原理和实验的设计思路以及了解实验步骤起到了很好的帮助作用.

1 补偿法原理

在电学实验中，如用电压表直接测量电动势，其实际测量结果是端电压[11]，而不是电动势，因为回路电流导致具有内阻的待测电势本身消耗掉一部分电动势. 补偿法克服了这一缺点，通过可调电动势E0与待测电动势Ex相互补偿，当调节至电路中无电流即IG=0时，Ex=E0. 其原理图如图1所示.

图1 补偿法原理图

补偿法是一种精确测量电动势的常用方法，利用补偿法设计的仪器称为电位差计[12-14].

2 十一线电位差计测量电动势原理

2.1 电位差计原理图

我校使用的是十一线电位差计，实验器材由两部分构成：一部分为直流电位差计实验仪，它集成了标准电池、检流计、工作电源、待测电势以及换向开关等；另一部分为十一线电位差计，内有一根11 m长的电阻丝. 电位差计工作原理如图2所示.

图2 电位差计测量电动势原理图

其中，E为工作电源,A、B为电阻丝的接头插孔，电阻丝总长11 m,C、D为位置可调节的触点,EN为标准电动势1.018 6 V,Ex为待测电动势,K2为转换开关,G为检流计.

2.2 电位差计实验中的补偿法

使用电位差计过程中两次用到补偿法，第一次是定标:将C、D两点之间电压与标准电动势EN补偿,调整开关K2，将标准电动势接入电路，计算并设定C、D两点之间的电阻丝的定标长度为LCD0,有

(1)

其中，EN为标准电动势，取值为1.018 60 V；u0为矫正系数(单位长度的电阻丝上的电压大小).

定标方式有两种，如图2所示，第一种方式：电源电压E直接加到11 m长的电阻丝两端(A、B两点)，调节电源电压E的大小使检流计示数为零，可实现定标(即单位长度的电阻丝电压大小达到所需标准). 第二种方式：固定电源电压E(E的取值需大于11u0，否则无法实现定标)，将电阻Rx接入回路，调节Rx实现定标.

第二次用到补偿法是测量：将待测电动势与C、D两点之间电压进行比较，此时向下扳动换向开关K2，将待测电动势接入电路，改变C、D段长度，使检流计示数为零，从而达到补偿状态. 基于设定的校正系数，可计算待测电动势的大小为

Ex=LCDu0

(2)

其中，Ex为待测电动势，u0为矫正系数.

3 基于LabVIEW的十一线电位差计测量电动势虚拟仪器的设计

参照我校当前使用的FB322型直流电位差计实验仪和FB325型十一线电位差计的面板对虚拟仪器的面板进行了设计.

3.1 系统前面板效果与对比

图3 FB322型直流电位差计实验仪

图4 基于LabVIEW设计的电位差计实验仪

在功能上，基于LabVIEW开发的实验仪基本实现了实际仪器的功能，可以模拟所有实验操作. 由于LabVIEW功能所限，游标尺的功能无法实现，图5中调节D接触点的游标部分采用了在图6所示的虚拟仪器面板，上面加了显示C、D间电阻丝长度的窗口，并且增加了细调功能，使得虚拟仪器有良好的使用体验.

图5 FB325型十一线电位差计

图6 基于LabVIEW设计的十一线电位差计

3.2 程序框图与参数设置

1) 双向开关K2模块的相关程序框图如图7所示，其中，双向开关的数值化取值为0、1、2，对应不同的模式选择，当开关值取0时，待测电动势接入电路并参与相关程序运算；当开关取值1时，电路为断开状态；当开关取值2时，标准电动势接入电路.

图7 双向开关模块程序框图

2) 电源电压模块程序思路

电源电压由粗调旋钮和细调旋钮共同决定.在实际仪器中，电压细调的精度应该大于等于检流计精度的最高挡位才能够满足细调的要求.

在设计该模块时，用鼠标操作虚拟仪器细调旋钮难免导致旋转的波动性较大，因此将细调旋钮灵活转为挡位旋转与按键配合.

图8 电源电压的粗调细调旋钮

通过粗调确定大致位置，然后选择细调挡位，单击增大或减小按钮，即可对应挡位的数值. 如细调挡位选择为10-3，则每次单击增大按钮，电源电压都会增大0.001 V. 最高挡位为10-6V. 程序框图如图9所示：

图9 调节电源电压的程序框图

3) 11 m电阻丝阻值的设计思路

根据实验仪器的调节精度和基本参数，设置虚拟仪器参数的依据如下：电阻丝的长度精确到毫米，电阻箱的最小挡位为0.1 Ω，在上文讲述的第二种定标方式中，电阻丝和电阻箱串联形成回路，因此在设计虚拟仪器时可以取1 mm的电阻丝阻值为0.1 Ω，11 m长的电阻丝阻值取1 100 Ω.电阻丝阻值也可以基于补偿法实验原理来推导.

校正系数u0，固定电源电压，如取电源电压为E，则十一线电位差计电压为11u0，滑动变阻器分压E-11u0.

设滑动变阻器为Ex，十一线电位差计电阻为Rab，由欧姆定律直观可得

(3)

因为Rx在使用到最大量级时调节范围为100～1 000 Ω，通过上式可计算出Rab的取值范围为

(4)

取此范围内的值作为十一线电位差计的阻值，则待测电势R′ab的计算公式为

(5)

其中,E为电源电压，Lab为十一线实际接入电路的长度. 若u0取0.2 V/m，E取4 V，代入公式(4)计算可得Rab的范围在122.2 Ω与1 222 Ω之间. 十一线电位差计，提供11 m的电阻丝，为了还原实际实验效果，需要在程序编写中赋予合适的参数. 本次实验R′ab以1100 Ω为例，如图10程序框图所示.

图10 十一线电位差计电阻实现方式

4) 十一线模块功能实现方式

十一点电阻丝分为整数部分与小数部分，整数部分有两列，共10个插孔，小数部分为可调旋钮刻度盘. 通过选择插孔配合可调旋钮刻度盘实现0～11 Ω的电阻选择. 在该部分虚拟仪器的设计中，采取了事件结构来处理10个插孔，每一个插孔对应一个布尔原件. 单击某一个布尔原件，该插孔亮起，其他9个布尔原件会熄灭，将亮起的布尔原件对应的数值输出，即确定了整数部分. 小数部分采用旋钮类控件，设定范围只作为0～1的小数部分.整数部分选择5号插孔为例，程序框图如图11所示.

图11 十一线模块程序框图

由于实际仪器中，小数部分的精度为10-3m,因此，同样采取了电压细调挡位配合增减按键调节小数部分的方式，使得调节精度能够达到10-5m，效果较好. 图12框图右下部分是为了约束小数部分调节范围在0～1 m内，对超出范围的调节操作不予回应并修正.

5) 检流计模块的程序思路

检流计的示数可以通过比较两端的电压差实现，这也正是补偿法的优势，是精确测量电动势的常用方法. 而检流计能够到达的精度可以通过电源电压的挡位结合欧姆定律来推导.

此外，当检流计的示数因为实验操作超出量程时，溢出指示灯会亮起. 保护电阻与初始误差也被考虑在内，最终的程序框图如图12所示.

图12 流计模块程序框图

6) 随机性处理

为了使虚拟仪器的使用体验更接近于真实仪器，在虚拟仪器中增加了一些随机参数，由于在电学实验的实际操作中，电路连接的接触电阻具有一定的随机性，因此在虚拟仪器的连线插孔处加了0.05～0.5 Ω的随机电阻，实际检流计在测量前需要初始调零，故每次在虚拟仪器开启时，都会为检流计加一个随机误差. 该部分的程序框图如图13所示.

图13 随机数应用的程序框图

本虚拟实验系统的总程序框图如图14所示.

图14 系统总体程序框图

3.3 程序功能说明

1) 系统默认初始化

实验时，仪器总开关接通、各路开关处于断开状态，保护电阻接入电路，电源电压、检流计开关、标准电池均置于“内附”挡，检流计赋予初始误差，可用机械调零旋钮调零.

2) 各模块可实现的功能

调整双向开关可选择接入标准电动势，或接入待测电动势进行测量.检流计在调零后，可以调整灵敏度挡位，检流计提供溢出警示，在示数超出量程时点亮.电源电压可通过粗调与细调旋钮调节，待测电动势可接入0.3 V、1.2 V、1.7 V以供选择.

十一线电位差计可根据左侧接线孔选择0～10 m的整数部分，右侧旋钮选择0～1 m的具体数值，两部分数值的组合即LCD的长度.

保护电阻、检流计、电阻箱和标准电池可根据需要使用开关断开或者接入、外接或者内附.

4 结论

基于LabVIEW开发平台研究的“十一线电位差计测量电动势”虚拟物理实验仪器可实现实际仪器的全部功能，完全能够模拟电位差计测量电动势的全过程. 本实验系统可完全脱离编程平台，在其他计算机上操作，无虚安装其他软件. 本文的作者还开发了虚拟的双臂电桥实验仪，在虚拟仪器中还添加了电路接线的环节，对于错误的连线虚拟仪器会示错，在2021年春季学期将开发的虚拟仪器上传到QQ群供学生下载课前预习用，截止目前总下载使用次数共105次. 笔者在中国大学慕课网进行了虚拟仪器的使用问卷调查，83.3%的学生认为对预习该实验有帮助，20.8%的同学认为虚拟仪器高度仿真实验仪器，72.9%的同学认为做到了大部分仿真，同学们谈了使用感受并积极提出一些改进意见. 虚拟仪器在一定程度上弥补了线上物理实验教学的短板，探索了新的教学模式[15]，为助力学生进行物理实验的课前预习和课后复习取得良好的效果，同时配合MOOC精品课程的建设，丰富了物理实验线上教学的内容，具有较大的应用前景[16-18].