基于LabVIEW的电表的改装与校准仿真实验系统开发

杨铁柱，周 帅，潘 峰

(郑州科技学院 基础部，河南 郑州 450064)

在大学物理实验课程中，电表的改装与校准实验属于基础类实验项目，能增加学生对电学知识的理解，同时能提升学生运用知识解决实际问题的能力。实验根据电路的分流和分压原理，将一个只允许通过较小电流的磁电式仪表(表头)改装为具有较大量程的电流表和电压表。实验以黑盒子式仪器为主，操作安全，但不利于学生了解实验原理。实验过程主要包含了电路设计、理论计算和改装电表等环节，任意环节的进展缓慢都会影响到整个实验的效率。在传统实验教学中，学生课前预习不够直观，是造成实验时间长、效率低等问题的主要原因。

LabVIEW(Laboratory Visual Instrument Engineering Workbench)是由美国国家仪器(National Instrument)公司开发的一种程序开发环境[1]，使用图形化编程语言(Graphics Language)[2]。LabVIEW程序为框图形式，具有清晰直观易于学习，功能强大，易于调试和维护等特点，并且生成的独立可执行程序(EXE)可以共享在网络平台上，有助于大学物理实验的信息化教学。LabVIEW的虚拟实验系统在实验教学和科学研究中都得到了广泛的应用[3-7]，但针对基础性实验的虚拟仿真系统较少。为了加深学生对仪器结构的了解，应用Solidworks软件制作了仪器结构爆炸图。针对此项空缺利用LabVIEW编程设计了一套集电表改装与校准功能于一体的虚拟仿真实验系统。

1 电表改装与校准实验原理

教学中，表头G只允许通过较小的电流。通过并联电阻，可以将表头改装为量程较大的电流表；通过串联电阻，可以将表头改装为量程较大的电压表。实验主要包含以下三个步骤：

(1) 测量表头的满偏电流Ig和内阻Rg

测量表头的满偏电流Ig和内阻Rg是实验的第一步。此虚拟仿真实验系统选择的测量方法是替代法，其原理图如图1所示[8-9]。

图1 替代法原理图

R1为阻值连续可变的滑线变阻器，R2为电阻箱。

替代法测量包含两个基本步骤：第一步，将R1的阻值调节到最大值，电源电压调节到最小，闭合总开关K，将单刀双掷开关接通表头一侧，调节R1和电源电压使表头达到满偏，记录标准电流表示数，即为表头的满偏电流Ig；第二步，保持电源电压和R1的阻值不变，将单刀双掷开关接通电阻箱R2一侧，调节R2致标准电流表读数为Ig，此时R2所示阻值为表头内阻Rg的值。

(2) 改装成量程为Im的电流表

Rp为电阻箱。

改装电流表原理图如图2所示。

图2 改装电流表原理图

根据并联电路的分流原理，将表头与电阻箱Rp并联。当干路的总电流达到Im时，通过表头的电流为满偏电流Ig，通过电阻箱的电流为Im-Ig。由并联电路的特点和欧姆定律可以得到：

(Im-Ig)RP=IgRg

(1)

(2)

(3)改装成量程为Um的电压表

改装电压表的原理图如图3所示。

Rs为电阻箱图3 改装电压表原理图

根据串联电路的分压原理，表头与电阻箱串联。当通过表头的电流为满偏电流Ig时，改装电压表达到满偏电压Um，由串联电路的特点和欧姆定律可以得到：

(Rs+Rg)Ig=Um

(3)

(4)

(4)改装电表的校准

改装电表的校准是实验重要的组成部分，改装电流表校准原理图如图4所示，改装电压表校准原理图如图5所示。

图4 改装电流表校准原理图

图5 改装电压表校准原理图

将改装电表的指针间隔上升和下降各一次，并指示在相同刻度上，分别读取标准电表的示数并计算平均值记为Is(或Us)，并与改装电表对应刻度上的示数Ix(或Ux)进行对比，计算出修正值ΔIx=Ix-Is(或ΔUx=Ux-Us)。改装电表的准确度等级a的计算公式为(其中a0为表头的不确定度)[7]：

(5)

2 基于LabVIEW电表地改装与校准仿真实验系统设计

在程序设计时，电源内阻设置为1 Ω，标准电流表内阻设置为100 Ω，表头内阻为100 Ω，电压表内阻设置为11 000 000 Ω。为了让实验更加接近实际，在程序中，利用随机数，为表头读数加入了不大于2.0%的随机误差。

2.1 系统前面板及运行情况

仿照THKDG-1型电表改装与校准实验仪，设计了虚拟仿真试验平台的前面板，如图6所示。运行这个VI程序，按照如下步骤完成实验操作，并对仿真实验系统进行测试、调节和使用，达到模拟完成电表的改装与校准实验的全部过程。

图6 系统前面板

(1)打开电源开关(红色代表打开，白色代表关闭)，电源电压和滑动变阻器R1均连续可调。

2)中间下方选择框中选择接表头，调节电源电压和滑动变阻器电阻，使表头达到满偏，通过标准电流表读出表头的满偏电流Ig。

(3)中间下方选择框中选择接电阻，保持电源电压和滑动变阻器R1的阻值不变，调节电阻箱阻值使标准电流表读数为Ig，此时电阻箱阻值为表头内阻Rg的值。

2.2 电表示数计算公式

测量表头的满偏电流和内阻步骤中，由图1所示，系统中电流强度公式为：

(6)

其中标准电表电阻为100 Ω，r为电源内阻(1 Ω)，Rg为表头内阻(接表头系统中Rg的值为100 Ω，接电阻系统中的Rg值为0 Ω)，R1为滑动变阻器阻值，R2为电阻箱阻值(接表头电路系统中R2的值为0 Ω，接电阻系统中值可调)。

改装电流表系统中，如图4所示，标准电流表电流强度Is计算公式为：

(7)

表头电流强度Ig计算公式为：

(8)

Rp为并联电阻箱阻值，在程序中为R2。

改装电压表步骤中，如图5所示，标准电压表电压强度Vs计算公式为：

(9)

其中Rv为电压表内阻(11 000 000 Ω)，Rs为串联电阻箱阻值，在程序中为R2。

表头电压强度Vg计算公式为：

(10)

2.3 程序框图和仪器结构爆炸图

实验系统中主要有4个程序，分别为测量表头满偏电流程序、接电阻箱测表头内阻程序、改装电流表程序和改装电压表程序等，如图7所示。

图7 电表改装程序框图

2.4 说明

(1)在操作本系统时，只有当仪器总开关(右下角，打开时为红色，关闭时为灰色)打开时，被电表才能显示出准确读数。

(2)直流电源显示框显示了电源电压值，其左侧按钮可以对电压值进行微调，能在调节电压时起到补充作用。

(3)当表头指针超过量程时超量程指示灯会显示为红色，同时系统会发出警报声。

3 结 论

以LabVIEW为开发工具，针对电表改装与校准实验，设计了一套虚拟仿真实验系统，实现了电表改装与校准的全部功能。基于LabVIEW开发出的虚拟仿真实验易于维护，不用担心仪器损坏问题。系统前面板直观、动态、易于操作，仪器结构爆炸图清晰显示出了仪器结构，可以提高学生的学习积极性，加深学生对实验原理的理解。通过在网络上共享生成的(EXE)程序，方便学生课前预习和课后复习，提高了教师上课的效率，促进了物理实验课程的信息化教学。