邢家林,張宇飏,呂夢(mèng)雪,毛巍威,何學(xué)敏*

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210023;2.南京郵電大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 南京 210023;3.南京郵電大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210023)

“用惠斯通電橋測(cè)量熱敏電阻的溫度特性”是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的經(jīng)典驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[1]。該實(shí)驗(yàn)一般要求使用電橋法測(cè)得熱敏電阻在不同溫度下的電阻值,并通過(guò)圖解法繪制出熱敏電阻的溫度特性曲線,從而計(jì)算出熱敏電阻的重要材料參數(shù)。但實(shí)際上,該實(shí)驗(yàn)的操作存在一定困難。一方面,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中常發(fā)生導(dǎo)線接觸不良、熱敏電阻溫度不穩(wěn)定、檢流計(jì)損壞或不靈敏等問(wèn)題,都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成較大干擾[2-4];另一方面,受實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間單一、地點(diǎn)固定、儀器數(shù)量有限等硬件條件的制約,學(xué)生難以得到充分的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。

隨著信息化技術(shù)的蓬勃發(fā)展,基于虛擬儀器搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)受到了各大高校和企業(yè)的大力追捧[5,6]。在眾多虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件中,LabVIEW憑借界面美觀、函數(shù)豐富、操作簡(jiǎn)單、可視性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐和科學(xué)研究[7-13]。

為探索線上教學(xué)新模式及輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué),本文基于LabVIEW語(yǔ)言[14]開發(fā)了熱敏電阻測(cè)量的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。使用者在該平臺(tái)上可打破時(shí)間和空間的限制,完成熱敏電阻測(cè)量的全部實(shí)驗(yàn)操作,并直接觀察到熱敏電阻的溫度特性曲線。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于對(duì)基本物理原理、操作步驟和實(shí)驗(yàn)圖像的深入理解,增強(qiáng)大學(xué)物理教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)原理

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻又稱NTC熱敏電阻,其電阻值隨溫度增加而減小,滿足關(guān)系式[15]:

RT=Aexp(B(1/T-1/T0)) 。

(1)

其中,RT為熱敏電阻在溫度T下的電阻值T0為室溫,一般取25 ℃;A值表示熱敏電阻在T0下的標(biāo)稱電阻值;B值是熱敏電阻的重要參數(shù)。對(duì)(1)式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)后可得

(2)

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 前面板功能介紹及使用方法

該仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建主要分為兩部分。如圖1所示,前面板的左側(cè)采用惠斯通電橋法測(cè)量熱敏電阻阻值,右側(cè)用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與處理,最終可直觀得到待測(cè)熱敏電阻阻值的對(duì)數(shù)隨溫度倒數(shù)的變化曲線圖,并明確給出熱敏電阻的A值與B值。具體的仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:

圖1 “熱敏電阻的測(cè)量”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的啟動(dòng)界面

(1)打開電計(jì)按鈕,運(yùn)行程序,可發(fā)現(xiàn)檢流計(jì)表盤指針左右搖晃,這是在模擬未通電時(shí)指針的偏轉(zhuǎn)情況。

(2)打開檢流計(jì)開關(guān),指針停止晃動(dòng)。調(diào)節(jié)機(jī)械調(diào)零旋鈕,使得檢流計(jì)指針指向中央零刻度,同時(shí)注意觀察,使檢流計(jì)右下角方框內(nèi)的示數(shù)盡可能地接近于零(如圖2中的0.000 2 mA所示)。

圖2 檢流計(jì)調(diào)零時(shí)的狀態(tài)

(3)在圖3所示的“溫度/B值設(shè)置”模塊中,通過(guò)移動(dòng)滑桿或直接輸入的方式可以設(shè)定待測(cè)熱敏電阻在室溫下的標(biāo)準(zhǔn)電阻值、B值以及溫度T,具體的數(shù)值見圖3中的方框,比如5 kΩ、3 950 K和25 ℃。再選擇合適的比率臂,然后按下左上方的電源開關(guān),即可開始正式的實(shí)驗(yàn)。其中,比率臂的大小可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕和手動(dòng)輸入(如圖3中比率臂調(diào)節(jié)旋鈕右下角方框中的1所示)兩種方式確定且理論上比率臂R1/R2的值可以取所設(shè)范圍內(nèi)的任意值。

圖3 輸入熱敏電阻相關(guān)參數(shù)及調(diào)節(jié)比率臂大小

(4)如圖4所示,先在“粗調(diào)”下改變比較臂R0,使檢流計(jì)示數(shù)接近零。再選擇“細(xì)調(diào)”模式,繼續(xù)調(diào)節(jié)比較臂,使得檢流計(jì)示數(shù)精確到零,惠斯通電橋即達(dá)到平衡狀態(tài),可將此時(shí)熱敏電阻的阻值記錄在“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄”區(qū)域。

圖4 電橋達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的一組數(shù)據(jù)界面

(5)多次改變實(shí)驗(yàn)的溫度值T,重復(fù)操作步驟(4),需要注意根據(jù)待測(cè)電阻估值選定合適的比率臂。如圖5所示,每記錄一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在仿真平臺(tái)右下方的圖中就會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn);當(dāng)完成所有數(shù)據(jù)記錄后,點(diǎn)擊“擬合開關(guān)”,即可自動(dòng)生成數(shù)據(jù)的擬合直線及其截距、斜率和擬合函數(shù),同時(shí)給出待測(cè)熱敏電阻的A值、B值及其誤差,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、定量化的精確測(cè)量。

圖5 仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)測(cè)量及分析結(jié)果

2.2 程序框圖主要模塊設(shè)計(jì)

在LabVIEW中,前面板用于數(shù)據(jù)的輸入、調(diào)節(jié)與顯示,而與其對(duì)應(yīng)的程序框圖(見圖6)則實(shí)現(xiàn)了前面板控件的邏輯關(guān)聯(lián)。下面對(duì)該平臺(tái)搭建的主要程序框圖模塊作簡(jiǎn)要說(shuō)明:

圖6 “熱敏電阻的測(cè)量”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主程序

(1)檢流計(jì)工作模塊

該模塊位于程序框圖的左下部分,主要由待測(cè)電阻模塊、電阻箱模塊、電流計(jì)算模塊三部分組成。其中,待測(cè)電阻模塊使用公式節(jié)點(diǎn)根據(jù)熱敏電阻溫度特性曲線直接構(gòu)建;電阻箱模塊由×1 000、×100、×10、×1、×0.1和×0.01六個(gè)擋位的可調(diào)旋鈕組成,可實(shí)現(xiàn)比較臂在0～9 999.99 Ω范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)?；趫D7中的惠斯通電橋測(cè)電阻的工作原理,可寫出(3)式所列的檢流計(jì)電流Ig的表達(dá)式。而程序框圖中的電流計(jì)算模塊正是根據(jù)(3)式由基本運(yùn)算單元復(fù)合運(yùn)算而成。

圖7 惠斯通電橋測(cè)電阻的原理圖

(3)

(2)圖表數(shù)據(jù)擬合模塊

數(shù)據(jù)記錄區(qū)域每組輸入的溫度和阻值以數(shù)組的形式存儲(chǔ),二者分別經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)運(yùn)算和倒數(shù)運(yùn)算后送入線性擬合函數(shù)。將溫度與線性擬合函數(shù)的最佳線性擬合輸出捆綁為簇,并通過(guò)“擬合開關(guān)”控制該簇是否輸入XY圖形函數(shù)。此外,也將溫度與電阻值數(shù)組捆綁為簇,輸入XY圖形函數(shù)中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖表中的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示。

(3)數(shù)據(jù)處理模塊

創(chuàng)建“擬合開關(guān)”的局部變量,并通過(guò)條件結(jié)構(gòu)控制是否進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合。當(dāng)按下“擬合開關(guān)”時(shí),則將線性擬合函數(shù)的擬合結(jié)果(截距和斜率)引入條件結(jié)構(gòu)。使用數(shù)值字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)、字符串拼接函數(shù)等輸出線性擬合結(jié)果;使用指數(shù)函數(shù)和基本運(yùn)算函數(shù)求出B值;引用設(shè)定的A值和B值的局部變量,使用基本運(yùn)算函數(shù)計(jì)算得到A值和B值的實(shí)驗(yàn)誤差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上重復(fù)做多次實(shí)驗(yàn),用“控制變量法”選定不同的理論A值和B值進(jìn)行仿真,得到如表1所示的數(shù)據(jù)。匯總計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),熱敏電阻A值和B值的相對(duì)誤差都可以控制在1.0%以內(nèi),說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真具有較高精度,達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

表1 “熱敏電阻的測(cè)量”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

基于LabVIEW的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完成了“熱敏電阻的測(cè)量”的全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配有可視化計(jì)算模塊,可以較為直觀便捷地顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,有助于加深對(duì)熱敏電阻的溫度特性以及惠斯通電橋法測(cè)電阻原理的理解與掌握。此外,該虛擬仿真平臺(tái)也可以考慮通過(guò)Unity3D等三維建模軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)更佳的視覺效果,以進(jìn)一步增強(qiáng)大學(xué)物理或物理實(shí)驗(yàn)課程的趣味性。