基于LabVIEW的虚拟仿真实验——惠斯通电桥测电阻

何学敏，邢家林，张丁源，顾起彰，毛巍威

(1.南京邮电大学 理学院，江苏 南京 210023；2.南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210023)

《大学物理实验》是一门实践性的课程，它旨在提高学生实践能力和创新精神。随着现代信息技术的蓬勃发展，高等教育实验教学与信息科技也产生了深度融合。《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》文件曾指出[1]，要在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，开展普通本科高校的示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作。近三年，由于疫情等不可抗拒因素的影响，高校实验室教学工作也面临很大困难，间接助推了线上实验课程的建设。而这其中，虚拟仿真实验项目的开发与建设更是受到了许多高校和企业的追捧[2-4]。

在虚拟平台上操作虽然不能完全取代实际动手实验，但能加深使用者对实验原理的理解，在进行实验时不必担心弄坏仪器，有较高的容错率，可提高学生的学习兴趣和积极性，促进动手实践，增强创新意识。仿真实验可用于课前预习，也可用于远程虚拟实验或作为演示实验应用于课堂教学[5-8]。

《大学物理实验》中的电学实验，其原理简单，电路图直观、易懂，比较容易通过信息技术实现目的和模拟实验过程。《惠斯通电桥测电阻》就是大学中常见的物理实验之一，基于此实验开发的仿真程序使用面较广，适合理工科本科生学习使用。由于实验本身原理并非高深难懂，开发制作较为容易，基于LabVIEW2020的开发软件就可以实现。最终程序运行时界面简洁，精度达标，可以一定程度上替代实验室的实际动手操作。

鉴于此，本文对《惠斯通电桥测电阻》实验进行了LabVIEW的虚拟仿真介绍，以期辅助传统的实验室教学，并对类似的电学实验仿真项目提供一定的借鉴作用。

1 实验原理

惠斯通电桥是一种利用比较法精确测量中值电阻的方法。基本电路如图1所示，R1、R2、R0、Rx四个电阻连成四边形，每一边称为电桥的一个臂。当B、D两点电位相等时，检流计中无电流通过，即Ig=0，此时称之为电桥平衡。

图1 惠斯通电桥测电阻的原理图[7].

由欧姆定律和基尔霍夫定律得电桥平衡方程：

(1)

利用惠斯通电桥测量电阻的过程是：先取比率臂R1/R2为某一合适的值，然后调节比较臂R0的阻值大小，使检流计读数为零，电桥即达到平衡状态。

测量电桥灵敏度S时，要打破电桥的平衡，继续调节R0，使检流计指针偏离中央0刻度5小格，记录下此时R0相对于平衡状态下的变化量ΔR0即可。

3 资源制作介绍

该仿真实验借助的软件是LabVIEW2020。由图1可计算出检流计的电流为

基于上式，设计了该仿真实验的程序框图，如图2所示。具体的实现步骤如下：

图2 《惠斯通电桥测电阻》虚拟仿真实验的程序框图

(1)先编制电阻箱子程序作为比较臂R0，如图2左下角的方框中所示；R0的档位旋钮有×1 000、×100、×10、×1、×0.1和×0.01六个档位，从而实现R0在0～9 999.99 Ω范围内可调。

(2)根据实验原理图1和上文表述的Ig算式来完成主体电路的设计，得到检流计内部的程序框图，即图2中间的大方框部分。

(3)增加电源、检流计等各项开关以及表盘和调零旋钮，完成后加以细节方面的调整，即为最终程序的主体框架，见图2。

(4)设计实验前面板，即用户启动界面，见图3。

图3 《惠斯通电桥测电阻》虚拟仿真实验的前面板

4 仿真实验的使用方法

《惠斯通电桥测电阻》虚拟仿真实验的全过程均在如图3所示的前面板上完成，具体的使用方法如下：

(1)启动仿真程序：按下“电计按钮”，会看到检流计表盘的指针左右摇晃，这是在模拟未通电时的指针偏转情况。

(2)检流计调零：按下左上方“检流计开关”按钮，指针停止摇动；转动左下方“机械调零旋钮”，注意观察检流计表盘右下角的数值，使之尽可能接近零，例如图4中的-0.002 37 mA。

图4 检流计调零时的状态

(3)设定待测电阻阻值，选择比率臂：按下左上方“电源开关”和右上方“显示开关”按钮，滑动待测电阻Rx的滑杆，设定Rx的理论值，该理论值在显示框中会明确给出，例如图5中的344.03 Ω；再调节左下方的比率臂数值，即通过转动旋钮来获得连续数值，也可以手动输入获得特定的数值，例如图5中所示的10。

图5 待测电阻和比率臂的设定

(4)调节电桥平衡：遵循先粗调后细调的原则，粗、细调是通过向上、向下拨动左侧的粗调/细调开关实现的；转动右下方电阻箱的旋钮，即不断改变比较臂R0的大小，注意观察检流计表盘右下角的数值，直到尽可能接近零，例如图6中所示的0.033 258 mA；此时可认为电桥达到平衡，记录比较臂R0的数值(如图6中的34.4 Ω)填于实验表格中。

图6 细调使电桥达到平衡时的状态.

(5)测试电桥灵敏度：在上一步电桥已达到平衡状态的基础上，微微打破电桥的平衡，即进一步调节电阻箱R0，使检流计偏转1 mA(例如图7中的-1.000 31 mA)，记录下此时电阻箱阻值R0′(例如图7中的45.28 Ω)，有ΔR0=R0′-R0=45.28-34.4=10.88 Ω，即可计算得到电桥的灵敏度S。

图7 测定电桥灵敏度时的状态

(6)实验数据及误差分析：测完一组数据之后，改变待测电阻的阻值大小，或者选用其他的比率臂，重复以上步骤，可以得到《惠斯通电桥测电阻》虚拟仿真实验的多组实验数据。如表1中所列，仿真实验误差较小，待测电阻Rx的相对误差均在1.0%以内，实验结果具有很高的精确度。

表1 《惠斯通电桥测电阻》虚拟仿真实验数据

5 结 语

首先，通过此仿真实验可以达到三个目的：(1)了解惠斯通电桥的结构，掌握惠斯通电桥的工作原理；(2)理解电桥灵敏度的物理意义；(3)掌握用惠斯通电桥精确测量中值电阻的方法。

其次，此仿真实验相对于在实验室的动手操作实现了五点创新：(1)设定了比率臂调节旋钮，比率臂的数值能够连续可调；(2)待测电阻连续可调，且可读数，得到确定的理论值，便于误差分析；(3)设定了检流计表盘的指针偏转数值，更精确地显示指针是否调零，减小了只能使用肉眼观察而带来的误差，也使得比较臂的调节更加精准；(4)设置了电阻箱读数窗口，方便用户进行电阻箱读数；(5)仿真实验的精度较高，实验相对误差控制在1.0%以内。

最后，在仿真实践中发现了两处值得改进的地方：(1)该仿真实验后期可以考虑通过三维软件制作等途径完善程序，创建贴近现实的三维化模型，进一步提升操作过程的可视化，拓展其学习对象的范围；(2)可以增强交互性，增加自主搭建电路的功能，使用户对电路的了解更加深入。