基于PASCO传感器和NI数据采集卡的“马吕斯定律验证”实验设计

2013-12-01王建中唐一文

物理实验 2013年2期

王建中，黄林，唐一文

（华中师范大学物理科学与技术学院，湖北武汉430079）

1 引言

随着科技的迅猛发展，计算机技术、软件开发及传感器技术在实验中所起的作用越来越重要.作为现代测量技术的重要发展方向，我们认为，在课堂实验教学中应当对这方面的内容有所涉及.目前，国内许多高校都建立了基于PASCO的“数字化实验室”，它本质上是由程序控制的，基于各类传感器的数据采集实验系统.这类实验系统充分体现了现代测量技术具有“数字化”和“信息化”的特点，所以在物理实验教学中，适当增加“数字化”方面的内容，符合信息技术与课程相融合的发展趋势.基于以上认识，我们将PASCO运用到本校的 “数字化实验室”中，并开设出了一系列的实验.本文以“马吕斯定律的验证”在PASCO系列实验中的基础实验为例，简要介绍运用Lab VIEW编程控制NI公司［1］的数据采集卡，并结合CI-6538角度传感器和CI-6504A光传感器来完成实验的过程与方法.

2 原理与装置

当自然光通过偏振片A和B，如图1所示.偏振片间的透振方向夹角为φ，经过起偏器A形成的线偏振光强度为I0，则通过检偏器B的透射光强（相对光强）I将满足如下关系（马吕斯定律）［2］

可以让学生用实验手段验证或者探究该定律.

图1 马吕斯定律示意图

图2 实验装置结构框图

实验装置结构如图2所示，实验采用PASCO的OS-8525A作为实验光源，并将PASCO的CI-6504A光传感器和CI-6538角度传感器通过转接头（PASCO的CI-6718和CI-6719配件）与NI公司的PCI-6251数据采集卡相连，2个传感器采用外部直流稳压电源供电，工作电压为＋5V，实验程序采用LabVIEW编程.实验时，偏振片A固定不动，顺时针方向旋转偏振片B，相对光强以及旋转角度的测量由程序自动完成.

3 实验程序设计

实验程序采用条件选择结构，程序结构图如图3所示.

从图3可知，程序的设计至少要满足以下要求：首先，要准确地完成相对光强和旋转角度的测量；其次，实验程序应能将所测数据实时显示，以便实验者（程序操作者）观察，同时，考虑到实验有重复多次进行的可能性，所以程序还必须加上数据清零的功能；最后，在测量结束时所测实验数据要能自动传送至科学计算绘图软件（例如Origin）中以便作进一步分析.其中，实验数据的显示和清零的功能在LabVIEW中实现较为简单，这里不再赘述.设计程序框图如图4所示.下面主要介绍相对光强测量、旋转角度测量、数据传递模块的实现方法.

图3 实验程序结构图

图4 实验程序框图

3.1 相对光强测量模块

在实验中相对光强的测量是依靠CI-6504A光传感器来完成的，CI-6504A核心部件为PIN硅光电二极管，工作时采用＋5V电源供电，能够将光强的大小转换成相应的电压输出，光强大小与电压大小在一定范围内成正比.CI-6504A对波长在320～1 100nm范围内的光波都有良好的响应，在实验中将CI-6504A光强传感器通过CI-6718转接头与NI公司的PCI-6251数据采集卡的模拟输入端口相连，将采集卡模拟输入端口测量的电压（CI-6504A光传感器输出电压）作为相对光强.

3.2 旋转角度测量模块

偏振片A和B的透振方向夹角的测量主要依靠角度传感器CI-6538来完成，CI-6538实质是光学编码器，由光学部分和电气部分组成，工作电压为＋5V.它旋转1周最多能产生1 440个脉冲，所以它的最高分辨率为0.25°.在实际测量时，将角度传感器CI-6538通过CI-6719转接头与PCI-6251采集卡相连，利用LabVIEW编写的程序来控制采集卡，即可利用采集卡中的计数器对脉冲进行计数，根据测量得到的脉冲数就能够换算成旋转的角度.

3.3 数据传递模块

LabVIEW和Origin之间的数据传递通过在LabVIEW编程环境中调用的5个vi即可，它们分别是 OA＿ConnectToOrigin.vi，OA＿New-Worksheet.vi，OA＿FindWorksheet.vi，OA＿Get-Column.vi，OA＿Col-SetData.vi，其数据传递模块的程序框图如图5所示.

图5 数据传递模块

4 实验测量

实验需要从两偏振片透振方向夹角为零时开始测量，根据传感器与NI数据采集卡端口的连接情况，需要在程序控制面板“选项卡控件设置2”中对采集卡作一些必要的配置.例如可以选择Dev1／ctr0作为计算器，计数方向选择“升值计数”，边沿选择“上升沿”，模拟通道选择“Dev1／ai0”.在测量时，固定偏振片A不动，顺时针方向旋转偏振片B，则偏振片透振方向的夹角φ与相对光强I的关系曲线可以伴随偏振片B的旋转，实时的在电脑上显示出来，同时也可以得到夹角和相对光强对应的数据表格，如图6～7所示.