LabVIEW在大学物理实验数据处理中的应用

万志龙，王 刚，金雪尘，黄红云

(1.常州工学院 理学院，江苏 常州 213032；2.常州工学院 产教融合工作办公室，江苏 常州 213032)

大学物理实验是高等院校针对理工科专业学生开设的一门基础实验课程[1]，在培养学生的实践动手能力和思维创新能力方面有着不可替代的作用，其中实验数据处理和误差分析是学生必须掌握的一项基本技能。传统的大学物理实验课堂大都使用计算器作为工具来处理实验数据，在实验数据较少时，此方法尚且可行，但当实验数据量较多，且需要进行作图、曲线拟合、最小二乘法等复杂运算时，传统方法效率低、容易出错的特点就显现出来了。因此，寻找一种快捷、高效、准确的实验数据处理方法就显得尤为重要。

随着计算机辅助教学的快速普及，各种专业的数据处理软件得到了广泛应用[2-4]。LabVIEW是美国NI公司开发的可视化、跨平台的虚拟仪器开发平台[5,6]，它使用图形化符号代替传统的文本编程语言，具有界面友好、操作简便、开发周期短等特点，是一种功能强大的图形化编程工具，被广泛应用于仿真、数据采集、仪器控制、通信、测量分析和数据显示等领域[7,8]。本文利用LabVIEW强大的数据运算和处理功能，以大学物理实验中的声速测定实验为例，设计了一套数据处理系统，能轻松实现大学物理实验中的几种常用数据处理方法，如作图法、逐差法、最小二乘法等，大大提高了数据处理的效率和准确度。

1 实验原理和实验数据

测量声速的基本原理是利用声速v、振动频率f和波长λ三者之间的关系得到声速，即：v=fλ，其中f为声速测量系统的谐振频率，可由信号发生器直接读取，因此，声速测定实验的核心是波长λ的测量，实验室通常采用驻波法或相位法来测量。本文设计的数据处理系统既可以对驻波法测得的数据进行处理，也可以对相位法测得的数据进行处理，下面以驻波法为例介绍系统的设计原理。

1.1 驻波法测量波长的实验原理

实验时，激励信号会使发射换能器中的压电陶瓷产生机械振动，经空气传播后形成声波。声波从发射换能器S1向接收换能器S2传播，由于S1和S2的两个端面相互平行，声波到达接收端S2后会被垂直反射，于是声波在两个换能器之间来回反射并产生干涉现象，当接收端面与发射端面之间的距离正好等于半波长的整数倍时，两端面之间就会形成驻波。此时相邻两波节或波腹间的距离等于半个波长。由于声波是纵波，形成的驻波波节处声压最大，此时示波器接收到的电信号也最强，因此通过转动声速测定仪上的手轮，改变S1和S2之间的距离，示波器上会出现振幅最大的正弦信号，继续改变两者之间的距离，信号振幅会呈现周期性变化，测出任意两个相邻信号振幅极大值之间的距离即为半波长λ/2。

1.2 实验数据

调节信号发生器的输出频率，使示波器上的信号振幅达到最大，缓慢转动手轮，移动换能器S2的位置，示波器上信号的振幅再次发生变化，移动至振幅极大值处，读取并记录谐振频率f=36 890 Hz；保持谐振频率不变，沿同一方向移动接收换能器S2至示波器上再次出现信号极大值，依次记录接收换能器S2在信号振幅达到极大值时所在的位置xi，列出实验数据见表1。

表1 驻波法测声速实验数据表

2 基于LabVIEW的声速测定实验数据处理系统设计

2.1 系统界面设计

LabVIEW的前面板是VI的用户界面，为用户提供了大量的输入控件和显示控件，通过多种输入控件和显示控件相互组合，可以使程序界面美观，功能区域分布合理，且可操作性强。输入控件是程序的输入装置，包含了数据输入控件、摇杆开关、按钮等，这些控件为VI的程序框图提供数据；显示控件是程序的输出装置，包含了图标、数据显示控件等，用来显示程序框图获取和生成的数据。系统前面板如图1所示，左侧部分为实验数据输入和图形显示界面，中间部分为系统操作及数据处理界面，右侧部分为不确定度计算界面。

图1 程序前面板

2.2 程序框图的设计

程序框图是程序代码的图形化形式，包含了用于定义VI功能的图形化源代码，前面板创建完成后，就可以使用图形化函数编写源代码来实现前面板上的功能。系统程序框图包含一个While循环和一个有四个分支的事件结构，事件结构的四个分支分别为数据输入、作图及逐差法处理分支、最小二乘法拟合分支、不确定度计算分支、程序结束分支，每个分支分别实现对应的数据处理功能，分支与分支之间通过移位寄存器和节点保持数据流通。

(1)数据输入、作图及逐差法处理分支。如图2所示，实验测得的数据输入对应的数值控件后，点击图1的逐差法计算按钮即可触发本分支，输入的数据将被保存在位置数组中，并按大小顺序排列好，再利用波形图控件作图，得到实验曲线图，如图1所示。图1中的水平摇杆开关，对应条件结构函数，可以根据测得的数据是驻波法还是相位法来选择。借助LabVIEW软件内置的常用函数，很容易就可以实现逐差法计算，进一步利用算得的波长、谐振频率和温度的属性节点value来实现对它们值的读取，再把它们的值作为输入变量连接至图2中包含代码的公式节点函数，即可得到对应温度下的波速理论值[9]、逐差法波速和相对误差。

图2 数据输入、作图及逐差法处理分支

(2)最小二乘法拟合分支。如图3所示，点击图1中的最小二乘法拟合按钮即可触发本分支。本分支中包含了LabVIEW自带的曲线拟合子VI和用于计算的公式节点函数。曲线拟合子VI对数据进行线性拟合，得到斜率、残差等，公式节点函数计算出拟合得到的波长、波速和相对误差等。

图3 最小二乘法拟合分支

(3)不确定度计算分支。如图4所示，点击图1中的计算不确定度按钮即可触发本分支。分别对逐差法和拟合法处理得到的数据计算不确定度[10]。本分支中的运算也可以使用公式节点函数来实现。

图4 不确定度计算分支

(4)程序结束分支。如图5所示，在程序运行的过程中，点击图1中的退出按钮即可通过STOP函数终止程序运行。

图5 程序结束分支

3 程序运行

运行声速测定实验数据处理系统，将测得的振幅极大值位置、谐振频率、温度等数据输入系统，点击摇杆开关，选择驻波法，然后依次点击逐差法计算、最小二乘法拟合、计算不确定度按钮，即可得到计算结果，如图1所示，同时系统在设计时充分考虑了测量值及不确定度有效数字的运算规则，将计算过程中的中间量的有效数字位数多保留了一位，便于学生正确地对有效数字进行取舍，同时也方便教师批改实验报告。

4 结 语

本文以声速测定实验为例，利用LabVIEW软件设计开发了一套声速测定实验数据处理系统。该系统不仅具有界面友好、操作简便、准确度高的特点，而且可操作性强，可以轻松实现作图、逐差法、最小二乘法拟合、不确定度计算等复杂运算，大大提高了课堂实验效率。在调动学生的学习兴趣和积极性，培养学生的创新思维和能力方面具有非常重要的意义。