基于Matlab GUI的电位差计测量数据处理

郝劲波，徐仰彬，陈　文，魏　诺

(西安建筑科技大学，陕西 西安　710055)



基于Matlab GUI的电位差计测量数据处理

郝劲波，徐仰彬，陈文，魏诺

(西安建筑科技大学，陕西 西安710055)

摘 要：提出一种应用Matlab软件的电位差计测量数据自动处理系统。该系统以电学补偿测量原理为基础，应用Matlab GUI构建了测量数据处理系统，实现了电位差计测量数据不确定度的自动计算及校准曲线的准确绘制，得到了完整的实验结果。

关键词：电位差计；不确定度；Matlab；图形界面

电位差计是一种高精确度的测量仪器，其测量方法巧妙，用途广泛，可以对电动势、电势差、电流、电阻等电学量进行高精确度测量，配合换能器，亦可用于温度、位移等非电量的测量和控制[1]。为提高电位差计测量结果的精确性，减小示值误差，需要对测量数据进行计算处理，分析测量结果的不确定度，包括标准不确定度的A类评定和标准不确定度的B类评定[2-3]。由于电位差计的测量数据通常较多，而且测量不确定度的计算过程比较复杂，校准曲线绘制要求精度高，使得数据处理计算量大，若利用手工运算，则繁琐而耗时，且误差较大。Matlab软件具有强大的计算功能和绘图功能，通过GUI可以设计一个人机友好的交互图形界面程序，将数据处理结果(数值或曲线)显示出来，因此可以更高效地完成电位差计测量数据处理，更准确地绘制校准曲线[4-7]。

1电位差计测量电动势原理

电位差计主要采用电位补偿法实现电动势的精确测量，其原理如图1所示。

若待测电动势EX≠标准电池电动势EN，则电路中会有电流通过检流计G；调节EN，当检流计G指零时，EN对EX实现了等量补偿，被测系统回归原态，EX=EN。

电位差计测量电动势的原理如图2所示。测量时首先采用补偿法，利用标准电阻Rp，结合检流计标定工作电流；其次调节RX滑动端，使检流计指针归零，使电路补偿到位，则待测电动势EX可利用式(1)得到：

(1)

电位差计的测量不确定度包括A类不确定度和B类不确定度。A类不确定度反映各电动势测量值的离散程度，可通过式(3)进行计算

(2)

(3)

B类不确定度主要包括仪器误差限标准不确定度uj1和灵敏度误差限标准不确定度uj2，可分别由式(5)和式(7)进行计算。

电位差计仪器误差限

(4)

(5)

(6)

(7)

测量的合成不确定度

(8)

2图形用户界面设计

利用Matlab GUI设计的测量数据处理系统，应具有人机友好的图形用户界面，具有系统性、交互性、实时性和实用性的特点[8]，系统设计流程如图4所示，系统结构如图5所示。

该系统有数据处理和校准曲线绘制两个界面。通过下拉菜单进行切换。数据处理界面包括A类不确定度计算、仪器误差限标准不确定度计算、灵敏度误差限标准不确定度计算、数据处理结果显示四个部分；校准曲线绘制界面包括测量偏差计算、校准曲线绘制、电压表级别标定三个部分。系统界面和界面内容也可通过get()和close()函数进行扩展。

数据处理界面如图6所示，该界面程序运行流程如图8所示。

在不确定度的计算过程和结果表示中，需要对有效数字进行控制，标准不确定度保留1位有效数字，相对不确定度保留2位有效数字，在程序中通过vpa()函数进行控制。电位差计仪器误差限通过输入实验中使用的电位差计精度，利用式(4)进行计算；电位差计及灵敏度误差限通过电位差计偏转格数，利用式(6)及式(7)进行计算，

校准曲线绘制界面如图7所示。该界面的主要功能为绘制校准曲线并标定电压表级别。利用图3所示电压表校准电路得到电位差计和电压表对同一电压的测量值，计算△V，利用axes()函数绘制校准曲线。

以测量1.5 V干电池电动势为例，该电位差计测量数据处理系统运行结果如图9所示，实现了测量数据不确定度的正确计算及校准曲线的准确绘制，标定了电压表级别。

3结论

基于MatlabGUI的电位差计测量数据处理系统，可以方便的实现电位差计测量数据的自动处理。该系统加深了测量者对于电位差计测量过程和校准电压表原理的认识，简化了繁琐的数据处理过程，加快了实验完成的速度，实验图形输出也更加直观、准确。利用GUI强大的图形绘制及显示功能，可以方便的实现交互式数据处理和图形输出，灵活的实现内容扩展。

参考文献：

[1]陈群宇.大学物理实验[M].北京:电子工业出版社,2005.

[2]罗浩,向泽英,谢英英,等.电位差计测热电偶电动势实验的拓展与应用[J].大学物理实验,2014,27(5):60-63．

[3]王婷,孙小伟,宋婷.UJ31型电位差计实验设备的改进[J].实验科学与技术,2015,13(5):16-17．

[4]姚琴芬.Matlab语言在物理实验数据处理中的应用[J].大学物理实验,2011,24(6):52-54．

[5]刘志成,张君霞,黄蕊.Matlab可视化在大学物理实验中的应用[J].大学物理实验,2015,28(1):69-72．

[6]谢嘉宁,陈伟成,赵建林,等.Matlab在光学信息处理仿真实验中的应用[J].物理实验,2004,24(6):23-25．

[7]乔亮,羊富贵,夏忠朝,等.基于Matlab的迈克尔逊干涉实验仿真[J].大学物理实验,2015,28(2):93-95．

[8]张卫山,尚剑锋,刘雪林,等.基于MATLAB GUI的波动光学仿真平台[J].大学物理实验,2013,26(3):85-87．

Measurement Data Processing of Potentiometer Based on Matlab GUI

HAO Jin-bo,XU Yang-bin,CHEN Wen,WEI Nuo

(Xi’an University of Architecture and Technology,Shanxi Xi’an 710055)

Key words：potentiometer；uncertainty；Matlab；graphic interface

Abstract：An approach of measurement data automatic processing of potentiometer is proposed based on Matlab GUI.In this approach,measurement data processing system is developed using electric compensated measure theory and the combination of Matlab GUI.Automatic calculation of measurement data uncertainty of potentiometer is implementation.And then for the calibration curve is plotted accurately.

收稿日期：2015-12-10

基金项目：国家自然科学青年基金(61405152)；西安建筑科技大学青年基金(6040500724);西安建筑科技大学人才基金(6040300486)

文章编号：1007-2934(2016)03-0092-04

中图分类号：O 4-39

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.025