基于Matlab GUI的電位差計測量數(shù)據(jù)處理

郝勁波，徐仰彬，陳　文，魏　諾

(西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安　710055)

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基于Matlab GUI的電位差計測量數(shù)據(jù)處理

郝勁波，徐仰彬，陳文，魏諾

(西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安710055)

摘 要：提出一種應(yīng)用Matlab軟件的電位差計測量數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電學(xué)補償測量原理為基礎(chǔ)，應(yīng)用Matlab GUI構(gòu)建了測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了電位差計測量數(shù)據(jù)不確定度的自動計算及校準曲線的準確繪制，得到了完整的實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電位差計；不確定度；Matlab；圖形界面

電位差計是一種高精確度的測量儀器，其測量方法巧妙，用途廣泛，可以對電動勢、電勢差、電流、電阻等電學(xué)量進行高精確度測量，配合換能器，亦可用于溫度、位移等非電量的測量和控制[1]。為提高電位差計測量結(jié)果的精確性，減小示值誤差，需要對測量數(shù)據(jù)進行計算處理，分析測量結(jié)果的不確定度，包括標準不確定度的A類評定和標準不確定度的B類評定[2-3]。由于電位差計的測量數(shù)據(jù)通常較多，而且測量不確定度的計算過程比較復(fù)雜，校準曲線繪制要求精度高，使得數(shù)據(jù)處理計算量大，若利用手工運算，則繁瑣而耗時，且誤差較大。Matlab軟件具有強大的計算功能和繪圖功能，通過GUI可以設(shè)計一個人機友好的交互圖形界面程序，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果(數(shù)值或曲線)顯示出來，因此可以更高效地完成電位差計測量數(shù)據(jù)處理，更準確地繪制校準曲線[4-7]。

1電位差計測量電動勢原理

電位差計主要采用電位補償法實現(xiàn)電動勢的精確測量，其原理如圖1所示。

若待測電動勢EX≠標準電池電動勢EN，則電路中會有電流通過檢流計G；調(diào)節(jié)EN，當檢流計G指零時，EN對EX實現(xiàn)了等量補償，被測系統(tǒng)回歸原態(tài)，EX=EN。

電位差計測量電動勢的原理如圖2所示。測量時首先采用補償法，利用標準電阻Rp，結(jié)合檢流計標定工作電流；其次調(diào)節(jié)RX滑動端，使檢流計指針歸零，使電路補償?shù)轿?，則待測電動勢EX可利用式(1)得到：

(1)

電位差計的測量不確定度包括A類不確定度和B類不確定度。A類不確定度反映各電動勢測量值的離散程度，可通過式(3)進行計算

(2)

(3)

B類不確定度主要包括儀器誤差限標準不確定度uj1和靈敏度誤差限標準不確定度uj2，可分別由式(5)和式(7)進行計算。

電位差計儀器誤差限

(4)

(5)

(6)

(7)

測量的合成不確定度

(8)

2圖形用戶界面設(shè)計

利用Matlab GUI設(shè)計的測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，應(yīng)具有人機友好的圖形用戶界面，具有系統(tǒng)性、交互性、實時性和實用性的特點[8]，系統(tǒng)設(shè)計流程如圖4所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該系統(tǒng)有數(shù)據(jù)處理和校準曲線繪制兩個界面。通過下拉菜單進行切換。數(shù)據(jù)處理界面包括A類不確定度計算、儀器誤差限標準不確定度計算、靈敏度誤差限標準不確定度計算、數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示四個部分；校準曲線繪制界面包括測量偏差計算、校準曲線繪制、電壓表級別標定三個部分。系統(tǒng)界面和界面內(nèi)容也可通過get()和close()函數(shù)進行擴展。

數(shù)據(jù)處理界面如圖6所示，該界面程序運行流程如圖8所示。

在不確定度的計算過程和結(jié)果表示中，需要對有效數(shù)字進行控制，標準不確定度保留1位有效數(shù)字，相對不確定度保留2位有效數(shù)字，在程序中通過vpa()函數(shù)進行控制。電位差計儀器誤差限通過輸入實驗中使用的電位差計精度，利用式(4)進行計算；電位差計及靈敏度誤差限通過電位差計偏轉(zhuǎn)格數(shù)，利用式(6)及式(7)進行計算，

校準曲線繪制界面如圖7所示。該界面的主要功能為繪制校準曲線并標定電壓表級別。利用圖3所示電壓表校準電路得到電位差計和電壓表對同一電壓的測量值，計算△V，利用axes()函數(shù)繪制校準曲線。

以測量1.5 V干電池電動勢為例，該電位差計測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運行結(jié)果如圖9所示，實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)不確定度的正確計算及校準曲線的準確繪制，標定了電壓表級別。

3結(jié)論

基于MatlabGUI的電位差計測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以方便的實現(xiàn)電位差計測量數(shù)據(jù)的自動處理。該系統(tǒng)加深了測量者對于電位差計測量過程和校準電壓表原理的認識，簡化了繁瑣的數(shù)據(jù)處理過程，加快了實驗完成的速度，實驗圖形輸出也更加直觀、準確。利用GUI強大的圖形繪制及顯示功能，可以方便的實現(xiàn)交互式數(shù)據(jù)處理和圖形輸出，靈活的實現(xiàn)內(nèi)容擴展。

參考文獻：

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[3]王婷,孫小偉,宋婷.UJ31型電位差計實驗設(shè)備的改進[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2015,13(5):16-17．

[4]姚琴芬.Matlab語言在物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗,2011,24(6):52-54．

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[7]喬亮,羊富貴,夏忠朝,等.基于Matlab的邁克爾遜干涉實驗仿真[J].大學(xué)物理實驗,2015,28(2):93-95．

[8]張衛(wèi)山,尚劍鋒,劉雪林,等.基于MATLAB GUI的波動光學(xué)仿真平臺[J].大學(xué)物理實驗,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

基金項目：國家自然科學(xué)青年基金(61405152)；西安建筑科技大學(xué)青年基金(6040500724);西安建筑科技大學(xué)人才基金(6040300486)

文章編號：1007-2934(2016)03-0092-04

中圖分類號：O 4-39

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.025