基于NI myDAQ数据采集器的弗兰克-赫兹实验系统

廖德驹，沈 韩，崔新图，冯饶慧，方奕忠，林志森

(中山大学 物理学院，广东 广州 510275)

基于NI myDAQ数据采集器的弗兰克-赫兹实验系统

廖德驹，沈 韩，崔新图，冯饶慧，方奕忠，林志森

(中山大学 物理学院，广东 广州 510275)

基于NI myDAQ数据采集器，采用LabVIEW设计了弗兰克-赫兹实验系统. 该系统可定量、实时记录并直观显示阳极电流随加速极电压的变化过程，在同一坐标界面中显示不同参量的多条实验曲线，并实现波峰、波谷对应电压电流及激发电位等数据处理功能. 用该系统测量了充氩弗兰克-赫兹管阳极电流随加速电压关系曲线及氩原子第一激发电位，实验结果与商用仪器测量的结果吻合.

弗兰克-赫兹实验；第一激发电位；NI myDAQ；LabVIEW

弗兰克-赫兹实验为大学物理实验课的重要实验[1-3]，大部分高等院校物理实验都开设弗兰克-赫兹实验. 实验教学设备和测试方法有多种形式[4-6]，主要的实验管有汞管和氩管，主要内容为测量第一激发电位，改变加速极电压有手动和自动扫描2种方式，显示和记录数据有X-Y函数记录仪、实验仪自身内存、示波器和计算机采集等. 基于LabVIEW的虚拟仪器技术是测控技术发展的重要方向，是实验教学的重要内容之一，将该技术与弗兰克-赫兹实验系统相结合应用于实验教学有重要意义. 本文基于美国国家仪器公司(简称NI)的NI myDAQ数据采集器[7-10]，用LabVIEW设计了弗兰克-赫兹实验系统，该系统测量方便灵活，实时直观，扩展性好. 使用该系统测量了充氩弗兰克-赫兹管的阳极电流随加速极电压变化曲线，对峰值电压线性拟合得氩原子第一激发电位[11-12]，实验结果与商用教学仪器测量结果吻合.

1 弗兰克-赫兹实验系统

1.1 实验系统硬件结构

实验系统原理框图如图1所示，核心是1台NI myDAQ数据采集器，有2个A/D转换精度达到16位的差分式模拟信号输入通道CH0和CH1，分别采集电压UI-V和UR2，其中UI-V与F-H管反射极电流IA成正比，UR2与加速极电压UG2K成正比. 电压源E1，E2，E3和E4相互隔离，可分别输出0～6 V，0～5 V，0～100 V和0～15 V电压，作为弗兰克-赫兹实验管灯丝电压UF、第一栅极电压UG1K、第二栅极电压UG2K和反射极电压UG2A输入.

图1 实验系统原理框图

UI-V是阳极电流IA通过I-V转换电路得到的电压信号，由NI myDAQ通道CH0采集. 加速极电压UG2K=UG2A-UKA，IA采集过程中UG2A是常量. 调节多圈线性精密电位器R2，使UKA=10UR2.UR2取值范围0～+10 V,由NI myDAQ通道CH1采集.

1.2 实验系统软件结构

基于LabVIEW的测控软件包括实验介绍、参量设定、弗兰克-赫兹数据采集、IA-UG2K曲线实时显示、数据记录及保存和数据分析等主要功能，其中弗兰克-赫兹数据采集功能的前面板如图2所示. 参量设定模块可对灯丝、第一栅极和反射极电压值进行设定，数据采集模块可对UI-V和UR2值进行测量[12-14]，IA-UG2K关系曲线模块把UI-V和UR2值分别还原为电流IA和电压UG2K后实时显示，数据记录及保存模快把IA，UG2K值和实验参量写入用户文件. 数据处理主要完成：对UI-V按照标定系数转换为电流IA；对UR2值，按照UKA=10UR2和UG2K=UG2A-UKA计算得到加速极电压UG2K值；画IA-UG2K曲线；最后计算氩原子第一激发电位，列出波峰及波谷值和波峰及波谷个数.

图2 实验系统软件前面板图

2 实验结果

用上述实验系统测量了充氩气弗兰克-赫兹管在灯丝电压UF=3.0 V、第一栅极电压UG1K=1.5 V和反射极电压UG2A=9.0 V时的IA-UG2K实时曲线，观察6个波峰和6个波谷，如图3所示. 对波峰电压值用最小二乘法拟合[11，15]，得氩原子第一激发电位(11.7±0.2) V，与公认值11.6 V相对偏差为0.86%，拟合相关系数为0.999 5；同时给出6个波峰和波谷值，结果如图3所示. 结果与理论相符.

图3 实验系统数据分析

3 讨论与分析

为了和商用的弗兰克-赫兹实验仪器测量结果进行对比，采用ZKY-FH-4智能弗兰克-赫兹实验系统，在相同实验参量下，测量了同一弗兰克-赫兹管的IA-UG2K曲线，如图4所示.

图4 实验系统和商用教学仪器测量结果对比

对曲线波峰电压值线性拟合，拟合方程分别为UG2K=8.83+11.59N和UG2K=7.97+11.58N，可得氩原子第一激发电位均为(11.6±0.2) V，相关系数分别为0.999 5和0.999 6. 可见该实验系统和商用教学仪器测量的结果符合得很好.

4 结 论

在LabVIEW平台，利用NI myDAQ的2个差分输入通道同时测量，直观、定量和实时观测阳极电流随加速极电压的变化曲线，并得到原子第一激发电位. 各参量准确，重复性好，与现有商用系统测量结果相符合，同时将基于LabVIEW的虚拟仪器实验技术融合进教学中，效果良好.

[1] 沈韩. 基础物理实验[M]. 北京:科学出版社,2015:310-317.

[2] 白忠,苗仁德,林上金，等. 夫兰克-赫兹实验中管极电压对实验曲线影响的研究[J]. 实验室研究与探索,2015,34(6):59-62.

[3] 朱筱玮,陈永丽. 充氩弗兰克-赫兹实验研究[J]. 大学物理,2007,26(7):46-48.

[4] 陈国杰,徐志民,朱星. 智能弗兰克-赫兹实验测量仪的研制[J]. 大学物理,2002,21(6):36-39.

[5] 冯娟,张贺,赵飞. 夫兰克-赫兹实验的改进[J]. 物理实验,2014,34(9):39-41.

[6] 邓玲娜,饶利民,黎定国. 基于P89LPC932单片机的夫兰克-赫兹实验仪的设计[J]. 电子设计工程,2009,17(12):41-42.

[7] 廖德驹,沈韩,崔新图,等. 一种数据采集器的温度特性实验系统[J]. 实验室研究与探索,2016,35(1):111-113,120.

[8] 崔新图,沈韩,方奕忠,等. 基于NI myDAQ数据采集器的表面张力系数测量系统[J]. 物理实验,2015,35(3):6-9.

[9] Wang Ju. Based on NI myDAQ sound processing system [J]. Procedia Engineering, 2012,29:3487-3490.

[10] 孙晖,李子恒. 基于myDAQ的心电信号分析与处理综合实验设计[J]. 电子技术,2014(8):76-79.

[11] 张里荃，马艳梅，郝二娟. 弗兰克-赫兹实验最佳实验条件及第一激发电位的研究[J]. 物理实验,2011,31(8):37-38,46.

[12] 何忠蛟,汪建章. 修正F-H实验中的氩原子第一激发电位[J]. 大学物理实验，2004,17(2):39-43.

[13] 李磊,林涛,汪莉,等. 基于Labview实现差热分析的数据采集功能[J]. 实验技术与管理，2007，24(5)：78-80.

[14] 吴永亮，邱成，朱衡君，等. 基于DAQ-2204的微弱信号数据采集与分析系统[J]. 测控技术,2011,30(3):26-28,32.

[15] 李潮锐. 实验数据处理方法的合理选择[J]. 实验技术与管理，2006，23(4)：23-24，27.

[责任编辑：任德香]

Franck-Hertz experiment using NI myDAQ data acquisitor

LIAO De-ju, SHEN Han, CUI Xin-tu, FENG Rao-hui, FANG Yi-zhong, LIN Zhi-sen

(School of Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

An experimental system for Franck-Hertz experiment was designed base on NI myDAQ and LabVIEW. The system could record and display the change of anodic current vs the accelerating voltage in real-time. Multi experimental curves of different parameters could be displayed simultaneously, which could help us to seek the peaks and valleys of the cures to obtain the volume of the first excitated voltage. Using this system, Franck-Hertz tube filled with argon was studied, and the first excitated voltage for Ar atom was measured to be 11.7 V, which agreed well with that abtained by commercial instrument.

Franck-Hertz experiment; first excitation voltage; NI myDAQ; LabVIEW

2017-02-22

国家自然科学基金项目资助(No.11175268)；广东省高等学校质量工程项目资助课题(No.74130-18822503)

廖德驹(1967-)，男，广东肇庆人，中山大学物理学院实验师，硕士，从事大学物理实验教学与研究工作.

沈 韩(1973-)，男，广东潮州人，中山大学物理学院实验师、副教授，博士，从事大学物理实验教学与研究工作.

O562;O4-39

A

1005-4642(2017)07-0006-03