基于LabVIEW的热敏电阻测量虚拟仿真实验

邢家林,张宇飏,吕梦雪,毛巍威,何学敏*

(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院,江苏 南京 210023;2.南京邮电大学 理学院,江苏 南京 210023;3.南京邮电大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 210023)

“用惠斯通电桥测量热敏电阻的温度特性”是大学物理实验课程中的经典验证性实验[1]。该实验一般要求使用电桥法测得热敏电阻在不同温度下的电阻值,并通过图解法绘制出热敏电阻的温度特性曲线,从而计算出热敏电阻的重要材料参数。但实际上,该实验的操作存在一定困难。一方面,在实验过程中常发生导线接触不良、热敏电阻温度不稳定、检流计损坏或不灵敏等问题,都会对实验造成较大干扰[2-4];另一方面,受实验室开放时间单一、地点固定、仪器数量有限等硬件条件的制约,学生难以得到充分的实验训练。

随着信息化技术的蓬勃发展,基于虚拟仪器搭建的实验平台受到了各大高校和企业的大力追捧[5,6]。在众多虚拟仪器开发平台软件中,LabVIEW凭借界面美观、函数丰富、操作简单、可视性强等优点被视为标准的数据采集和仪器控制软件,已经广泛应用于工程实践和科学研究[7-13]。

为探索线上教学新模式及辅助传统实验室教学,本文基于LabVIEW语言[14]开发了热敏电阻测量的虚拟实验平台。使用者在该平台上可打破时间和空间的限制,完成热敏电阻测量的全部实验操作,并直接观察到热敏电阻的温度特性曲线。该虚拟仿真实验平台有助于对基本物理原理、操作步骤和实验图像的深入理解,增强大学物理教学效果。

1 实验原理

负温度系数热敏电阻又称NTC热敏电阻,其电阻值随温度增加而减小,满足关系式[15]:

RT=Aexp(B(1/T-1/T0)) 。

(1)

其中,RT为热敏电阻在温度T下的电阻值T0为室温,一般取25 ℃;A值表示热敏电阻在T0下的标称电阻值;B值是热敏电阻的重要参数。对(1)式两边同时取对数后可得

(2)

2 设计与实现

2.1 前面板功能介绍及使用方法

该仿真实验平台的搭建主要分为两部分。如图1所示,前面板的左侧采用惠斯通电桥法测量热敏电阻阻值,右侧用于实验数据的记录与处理,最终可直观得到待测热敏电阻阻值的对数随温度倒数的变化曲线图,并明确给出热敏电阻的A值与B值。具体的仿真实验过程如下:

图1 “热敏电阻的测量”虚拟仿真实验平台的启动界面

(1)打开电计按钮,运行程序,可发现检流计表盘指针左右摇晃,这是在模拟未通电时指针的偏转情况。

(2)打开检流计开关,指针停止晃动。调节机械调零旋钮,使得检流计指针指向中央零刻度,同时注意观察,使检流计右下角方框内的示数尽可能地接近于零(如图2中的0.000 2 mA所示)。

图2 检流计调零时的状态

(3)在图3所示的“温度/B值设置”模块中,通过移动滑杆或直接输入的方式可以设定待测热敏电阻在室温下的标准电阻值、B值以及温度T,具体的数值见图3中的方框,比如5 kΩ、3 950 K和25 ℃。再选择合适的比率臂,然后按下左上方的电源开关,即可开始正式的实验。其中,比率臂的大小可以通过转动旋钮和手动输入(如图3中比率臂调节旋钮右下角方框中的1所示)两种方式确定且理论上比率臂R1/R2的值可以取所设范围内的任意值。

图3 输入热敏电阻相关参数及调节比率臂大小

(4)如图4所示,先在“粗调”下改变比较臂R0,使检流计示数接近零。再选择“细调”模式,继续调节比较臂,使得检流计示数精确到零,惠斯通电桥即达到平衡状态,可将此时热敏电阻的阻值记录在“实验数据记录”区域。

图4 电桥达到平衡状态时的一组数据界面

(5)多次改变实验的温度值T,重复操作步骤(4),需要注意根据待测电阻估值选定合适的比率臂。如图5所示,每记录一组实验数据,在仿真平台右下方的图中就会出现对应的数据点;当完成所有数据记录后,点击“拟合开关”,即可自动生成数据的拟合直线及其截距、斜率和拟合函数,同时给出待测热敏电阻的A值、B值及其误差,实现了实时、定量化的精确测量。

图5 仿真实验的数据测量及分析结果

2.2 程序框图主要模块设计

在LabVIEW中,前面板用于数据的输入、调节与显示,而与其对应的程序框图(见图6)则实现了前面板控件的逻辑关联。下面对该平台搭建的主要程序框图模块作简要说明:

图6 “热敏电阻的测量”虚拟仿真实验的主程序

(1)检流计工作模块

该模块位于程序框图的左下部分,主要由待测电阻模块、电阻箱模块、电流计算模块三部分组成。其中,待测电阻模块使用公式节点根据热敏电阻温度特性曲线直接构建;电阻箱模块由×1 000、×100、×10、×1、×0.1和×0.01六个挡位的可调旋钮组成,可实现比较臂在0～9 999.99 Ω范围内的调节。基于图7中的惠斯通电桥测电阻的工作原理,可写出(3)式所列的检流计电流Ig的表达式。而程序框图中的电流计算模块正是根据(3)式由基本运算单元复合运算而成。

图7 惠斯通电桥测电阻的原理图

(3)

(2)图表数据拟合模块

数据记录区域每组输入的温度和阻值以数组的形式存储,二者分别经过对数运算和倒数运算后送入线性拟合函数。将温度与线性拟合函数的最佳线性拟合输出捆绑为簇,并通过“拟合开关”控制该簇是否输入XY图形函数。此外,也将温度与电阻值数组捆绑为簇,输入XY图形函数中,实现数据点在图表中的实时、动态显示。

(3)数据处理模块

创建“拟合开关”的局部变量,并通过条件结构控制是否进行数据的拟合。当按下“拟合开关”时,则将线性拟合函数的拟合结果(截距和斜率)引入条件结构。使用数值字符串转换函数、字符串拼接函数等输出线性拟合结果;使用指数函数和基本运算函数求出B值;引用设定的A值和B值的局部变量,使用基本运算函数计算得到A值和B值的实验误差。

3 实验结果

在虚拟仿真实验平台上重复做多次实验,用“控制变量法”选定不同的理论A值和B值进行仿真,得到如表1所示的数据。汇总计算结果发现,热敏电阻A值和B值的相对误差都可以控制在1.0%以内,说明该实验的虚拟仿真具有较高精度,达到实验目的。

表1 “热敏电阻的测量”虚拟仿真实验数据

4 结 论

基于LabVIEW的虚拟仿真实验完成了“热敏电阻的测量”的全部实验内容。该虚拟仿真实验平台配有可视化计算模块,可以较为直观便捷地显示实验结果,有助于加深对热敏电阻的温度特性以及惠斯通电桥法测电阻原理的理解与掌握。此外,该虚拟仿真平台也可以考虑通过Unity3D等三维建模软件来实现更佳的视觉效果,以进一步增强大学物理或物理实验课程的趣味性。