邢家林,張宇飏,呂夢雪,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)

“用惠斯通電橋測量熱敏電阻的溫度特性”是大學(xué)物理實驗課程中的經(jīng)典驗證性實驗[1]。該實驗一般要求使用電橋法測得熱敏電阻在不同溫度下的電阻值,并通過圖解法繪制出熱敏電阻的溫度特性曲線,從而計算出熱敏電阻的重要材料參數(shù)。但實際上,該實驗的操作存在一定困難。一方面,在實驗過程中常發(fā)生導(dǎo)線接觸不良、熱敏電阻溫度不穩(wěn)定、檢流計損壞或不靈敏等問題,都會對實驗造成較大干擾[2-4];另一方面,受實驗室開放時間單一、地點固定、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驗訓(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驗平臺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)平臺軟件中,LabVIEW憑借界面美觀、函數(shù)豐富、操作簡單、可視性強等優(yōu)點被視為標(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)實驗室教學(xué),本文基于LabVIEW語言[14]開發(fā)了熱敏電阻測量的虛擬實驗平臺。使用者在該平臺上可打破時間和空間的限制,完成熱敏電阻測量的全部實驗操作,并直接觀察到熱敏電阻的溫度特性曲線。該虛擬仿真實驗平臺有助于對基本物理原理、操作步驟和實驗圖像的深入理解,增強大學(xué)物理教學(xué)效果。

1 實驗原理

負溫度系數(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(1)式兩邊同時取對數(shù)后可得

(2)

2 設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 前面板功能介紹及使用方法

該仿真實驗平臺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量熱敏電阻阻值,右側(cè)用于實驗數(shù)據(jù)的記錄與處理,最終可直觀得到待測熱敏電阻阻值的對數(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。具體的仿真實驗過程如下:

圖1 “熱敏電阻的測量”虛擬仿真實驗平臺的啟動界面

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

(2)打開檢流計開關(guān),指針停止晃動。調(diào)節(jié)機械調(diào)零旋鈕,使得檢流計指針指向中央零刻度,同時注意觀察,使檢流計右下角方框內(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 檢流計調(diào)零時的狀態(tài)

(3)在圖3所示的“溫度/B值設(shè)置”模塊中,通過移動滑桿或直接輸入的方式可以設(shè)定待測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),即可開始正式的實驗。其中,比率臂的大小可以通過轉(zhuǎn)動旋鈕和手動輸入(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,使檢流計示數(shù)接近零。再選擇“細調(diào)”模式,繼續(xù)調(diào)節(jié)比較臂,使得檢流計示數(shù)精確到零,惠斯通電橋即達到平衡狀態(tài),可將此時熱敏電阻的阻值記錄在“實驗數(shù)據(jù)記錄”區(qū)域。

圖4 電橋達到平衡狀態(tài)時的一組數(shù)據(jù)界面

(5)多次改變實驗的溫度值T,重復(fù)操作步驟(4),需要注意根據(jù)待測電阻估值選定合適的比率臂。如圖5所示,每記錄一組實驗數(shù)據(jù),在仿真平臺右下方的圖中就會出現(xiàn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)點;當(dāng)完成所有數(shù)據(jù)記錄后,點擊“擬合開關(guān)”,即可自動生成數(shù)據(jù)的擬合直線及其截距、斜率和擬合函數(shù),同時給出待測熱敏電阻的A值、B值及其誤差,實現(xiàn)了實時、定量化的精確測量。

圖5 仿真實驗的數(shù)據(jù)測量及分析結(jié)果

2.2 程序框圖主要模塊設(shè)計

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

圖6 “熱敏電阻的測量”虛擬仿真實驗的主程序

(1)檢流計工作模塊

該模塊位于程序框圖的左下部分,主要由待測電阻模塊、電阻箱模塊、電流計算模塊三部分組成。其中,待測電阻模塊使用公式節(jié)點根據(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×0.01六個擋位的可調(diào)旋鈕組成,可實現(xiàn)比較臂在0～9 999.99 Ω范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)?；趫D7中的惠斯通電橋測電阻的工作原理,可寫出(3)式所列的檢流計電流Ig的表達式。而程序框圖中的電流計算模塊正是根據(jù)(3)式由基本運算單元復(fù)合運算而成。

圖7 惠斯通電橋測電阻的原理圖

(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,二者分別經(jīng)過對數(shù)運算和倒數(shù)運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“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,實現(xiàn)數(shù)據(jù)點在圖表中的實時、動態(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,并通過條件結(jié)構(gòu)控制是否進行數(shù)據(jù)的擬合。當(dāng)按下“擬合開關(guān)”時,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,使用基本運算函數(shù)計算得到A值和B值的實驗誤差。

3 實驗結(jié)果

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

表1 “熱敏電阻的測量”虛擬仿真實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

基于LabVIEW的虛擬仿真實驗完成了“熱敏電阻的測量”的全部實驗內(nèi)容。該虛擬仿真實驗平臺配有可視化計算模塊,可以較為直觀便捷地顯示實驗結(jié)果,有助于加深對熱敏電阻的溫度特性以及惠斯通電橋法測電阻原理的理解與掌握。此外,該虛擬仿真平臺也可以考慮通過Unity3D等三維建模軟件來實現(xiàn)更佳的視覺效果,以進一步增強大學(xué)物理或物理實驗課程的趣味性。