基于LabVIEW的单臂直流电桥实验仿真系统

曲长红,冯正南

(北华大学 理学院,吉林 吉林 132001)

以在计算机上运行虚拟仪器软件进行仿真为主要形式的虚拟仪器,是计算机技术与仪器技术交叉融合而产生的新技术[1]。LabVIEW与其它计算机语言的显著区别是:其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序,产生的程序是框图的形式。使用LabVIEW软件可充分发挥计算机的能力,利用强大的数据处理功能,可以创造出功能更强大的设备、仪器。LabVIEW具有操作方法便捷、直观,避免了繁琐的文本编程语言,图形化编辑语言利于程序的改写完善。

基于LabVIEW的自组式直流电桥实验,是基础电学仿真系列实验之一,可用于学生实验的课前预习和教师的在线课堂演示。在使用过程中,可以根据本校实验特点随时进行修改和维护,对开发者来说,既加强了本专业课程的学习,又实现了相关学科的深度学习与融合。

1 惠斯通电桥工作原理

单臂直流电桥又称惠斯通电桥,主要用于测量中阻值电阻(10～105Ω)[2]。其电路由桥臂电阻、电源和检流计等元件组成,通过比较被测电阻与标准电阻得到测量结果[3～5]。 其电路如图1所示,四个电阻R0、R1、R2、Rx连成四边形,称为电桥的四个臂[6]。

图1 惠斯通电桥原理图

(1)

(2)

这样就避免了因比率臂电阻R1、R2电阻不准确带来的误差。当然从公式(2)中虽然没有比率臂电阻R1、R2的出现,但它们的数值大小将影响系统的灵敏度。

2 设计的程序技术

该程序(见图2)采用由上至下的设计模式(Top-Down),先明确系统总体要求和性能参数,然后明确功能模块,如信号产生,数据读取,数据分析等,模块结构不但增加了程序可维护性,也可以增加可读性。

图2 仿真实验系统程序框图

程序总体共有两个界面,分别为:实验原理界面(见图3)和实验操作及数据处理界面(见图4)。通过选项卡控件实现界面的切换。实验操作及数据处理界面包含实验内容及步骤、操作面板、实验报告三个板块。

图3 仿真实验原理界面

图4 仿真实验操作及数据处理界面

操作面板(见图5)包括一个直流稳压电源、一个灵敏电流计、四个直流电阻箱、电路图、线路图以及八个功能按钮。

图5 操作面板界面

2.1 直流电阻箱的设计

电阻箱界面(见图5)由六个旋钮控件和一个数值显示控件组成。旋钮改变指针指向产生不同数值,通过数值控件编程计算(见图6)输出至数值显示控件在前面板显示,为模仿真实实验过程中电阻箱准确度级别的误差,对每一档的电阻再次编程,改变输出值与数组控件连接输出电阻真实值,不在前面板显示。两个数值存在一定的偏差。

2.2 直流稳压电源的设计

直流稳压电源界面(见图5)由旋钮、仪表、数值输入控件、数值显示控件和布尔元件组成。布尔元件代表着电源的开关,旋钮连接数值输入控件输入数值,仪表连接数值显示控件,旋钮与仪表连接,产生输出,直流稳压电源程序模块如图7所示。

图7 直流稳压电源模块

2.3 灵敏电流表的设计

灵敏电流计界面(见图5)由仪表和布尔元件组成,其程序模块设计如图8所示。将前列收集到的电阻、电压等数据通过公式0.1*Us(R1R3-R2Rx)/(R1+R2)*(Rx+R3)(见图9),得到的结果再除以预设值来模拟灵敏电流计的偏转。同时将该数值与过载电流的数值大小进行比较,利用条件结构辨别:创建布尔控件的属性节点,分别为可见和对象高亮显示,赋予可见属性节点为真常量,满足判断条件则布尔元件亮起产生提醒。

图8 灵敏电流计模块

图9 配置公式用图

2.4 功能按钮的设计

以控制数据清零的确定按钮为例(见图10),调节多个表格控件和数值显示控件的属性节点为值显示。数值显示控件赋值数学常量为零;表格控件赋值数组常量为零。利用布尔元件控制,点击调节所有对应的控件清零。

图10 数据清零

3 惠斯通电桥实验仿真系统的使用方法

首先点击程序左上方的白色箭头来运行此VI。本仿真实验共设计有四个实验内容,分别为①非交换测量待测电阻;②交换测量待测电阻;③根据待测电阻的有效数字位数设计比例系数k值;④测量电桥灵敏度。下面以交换测量待测电阻这个实验内容为例(见图11),介绍其使用方法及步骤。

图11 交换测量待测电阻

开始实验,①令Rx粗测值为1 000.6 Ω,选取R1、R2均为500 Ω,开启直流稳压电源。②该状态下估算R0值为1 000 Ω。从高到低调节R0电阻箱旋钮,档位为1 000的旋钮到1位置,发现检流计指针向右偏移越过平衡位置,故将档位1 000的旋钮调到0位置;调节档位为100的旋钮,直至10位置,指针向右偏移越过平衡位置,故将档位为100旋钮调到9位置;调节档位为10旋钮直至10时检流计指针向右偏移越过平衡位置,故将档位为10旋钮调到9位置;调节档位为1旋钮,调整旋钮位置至8时检流计指针向右偏移越过平衡位置,故将档位为1旋钮调节到7位置;调节档位为0.1旋钮,直到指针出现偏移,将旋钮调节到检流计出现偏移前的最大位置。③点击“保存数据换臂前”按钮记录数据。④关闭电源电压将R0调0,进行交换测量,点击“交换测量(前)”按钮,测量换臂后,待测电阻阻值Rx的阻值,按照上述操作,得到R02的值,点击“保存数据换臂后”按钮记录数据。⑤本次实验操作数据共六组。保持Rx粗测值均为1 000.6 Ω,R1、R2值分别为从第一组均为500 Ω开始每组增加500 Ω直至第六组R1、R2为3 000 Ω。将六组R01,R02值分别输入至交换测量结果及其不确定度报告中,结果处理如图12所示。交换测量仿真与真实实验数据对比结果如图13所示。

图12 交换测量结果及其不确定度

图13 交换测量仿真与真实实验数据对比图

4 结 论

LabVIEW是一种功能强大的虚拟仪器开放平台[7]。自组式直流电桥实验仿真系统在数据与测试方面完全达到真实实验要求,测试效果良好。在程序运行过程中,可以直接看到数据的变化及时进行操作,改变电流计指针方向,同时实时采集数据并保存,依照教材要求,形成数据表格。该仿真系统能有效利用计算机、多媒体等现代化设备调动学生的积极性,也能加深学生对实验的理解,更好地完成实验。由此可见,虚拟仪器技术与物理实验教学相结合,可推动实验教学改革,为培养应用型创新人才提供有效支撑[8-10]。