設(shè)計(jì)基于LabVIEW 的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)
——以“惠斯通直流單臂電橋測(cè)電阻”為例

王 星 陳建勇 謝 東

（1.桂林航天工業(yè)學(xué)院 理學(xué)院 廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)博文管理學(xué)院文理學(xué)院 廣西桂林 541000）

一、引言

（一）LabVIEW 的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)

LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）實(shí)驗(yàn)虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)是以一種用圖標(biāo)來代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。它具有編程簡單、開發(fā)周期短、高效、自定義性強(qiáng)且性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。在Labview中，用戶界面也被稱為前面板，與之對(duì)應(yīng)的是程序框圖面板，前面板上的每一個(gè)圖標(biāo)都對(duì)應(yīng)著程序框圖中的一個(gè)對(duì)象，使用圖標(biāo)及連線再通過編程的方式對(duì)前面板上的對(duì)象控制，從而實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的開發(fā)。[1-2]

（二）惠斯通電橋法電阻的實(shí)驗(yàn)原理

惠斯通電橋的基本電路如圖1所示，電路由被測(cè)電阻Rx、標(biāo)準(zhǔn)電阻R0，R1和R2構(gòu)成惠斯通電橋的四個(gè)臂。在C、D兩端加上一定的直流電壓，在AB之間接入用來檢測(cè)其間有無電流檢流計(jì)G，當(dāng)檢流計(jì)指針指向中心0處，說明AB之間沒有電流即AB兩點(diǎn)的電位相等?！皹颉敝窤B這段電路，其作用是將A、B兩點(diǎn)的電位進(jìn)行比較，以此確定電橋的平衡狀態(tài)。

圖1 惠斯通電橋的基本電路圖

接通后，電路中即會(huì)有電流流過，并且在各臂的電阻兩側(cè)產(chǎn)生電壓。使得A、B兩點(diǎn)間將有電位差，導(dǎo)致有電流I通過檢流計(jì)G，使檢流計(jì)G的指針立即發(fā)生偏轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)R1、R2或R0，使A、B兩點(diǎn)間的電位達(dá)到相等，這時(shí)若無電流通過檢流計(jì)G，即I＝0，則稱電橋達(dá)到了平衡。根據(jù)電路圖可知，當(dāng)電橋平衡時(shí)，電橋四個(gè)臂上電阻的關(guān)系為：

二、惠斯通電橋虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

惠斯通電橋虛擬仿真實(shí)驗(yàn)從虛擬儀器構(gòu)造角度講，分為基本模塊和輔助模塊兩個(gè)大部分，基本模塊包括用戶界面、情境創(chuàng)設(shè)、過程仿真、數(shù)據(jù)處理等。輔助模塊則包含實(shí)驗(yàn)過程演示和練習(xí)測(cè)試模塊。[4-5]

（一）用戶界面

構(gòu)建的和諧、逼真的人機(jī)界面是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要解決的首要問題?；菟雇姌蛱摂M仿真實(shí)驗(yàn)在制作時(shí)基本使用與實(shí)驗(yàn)室中的真實(shí)儀器的構(gòu)造完全一致并在視覺上稍做美化，以此制作出的用戶界面和諧友好、方便操作、逼近物理原型。

（二）情境創(chuàng)設(shè)

惠斯通直流單臂虛擬實(shí)驗(yàn)要依據(jù)學(xué)生以往的知識(shí)背景及需求，呈現(xiàn)具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、在物理學(xué)中的地位等相關(guān)背景資料以及相關(guān)環(huán)境等信息。以學(xué)生認(rèn)知的順序來設(shè)置實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)惠斯通電橋測(cè)電阻的原因并且要完成哪些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)原理使學(xué)生了解惠斯通單臂電橋可以測(cè)量位置電阻的方法；實(shí)驗(yàn)儀器使學(xué)生了解儀器各處面板、按鈕的作用以及儀器內(nèi)部的構(gòu)造，使學(xué)生對(duì)儀器有深入的了解；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)該如何進(jìn)行，如何可以測(cè)量出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（三）過程仿真

由于實(shí)驗(yàn)步驟模塊關(guān)系到學(xué)生是否能將在惠斯登直流單臂電橋虛擬實(shí)驗(yàn)中獲得的技能向真實(shí)的操作能力遷移，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟以及仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)的要求是提供一個(gè)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相近的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如儀器、操作時(shí)儀器的反應(yīng)，這些需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器原理進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)定量反饋。

（四）數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的依據(jù)，是探索、驗(yàn)證物理規(guī)律的第一手資料，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理是實(shí)驗(yàn)過程的重要內(nèi)容之一。數(shù)據(jù)處理模塊使學(xué)生擺脫煩瑣的計(jì)算，集中精力于實(shí)驗(yàn)本身，學(xué)習(xí)者通過該模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

三、惠斯通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使用說明

圖2 惠斯通單臂電橋測(cè)電阻虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

開始進(jìn)行惠斯通電橋仿真實(shí)驗(yàn)，從界面的左下角選擇所需儀器（圖2），然后按下“電源開關(guān)”，儀器上的紅色指示燈亮起，表示電源接通。操作檢流計(jì)在不同靈敏度下調(diào)零，調(diào)零后選擇未知電阻，若測(cè)量多個(gè)位置電阻則選擇電阻的連接方式（圖中選擇的是R2和R4，連接方式為并聯(lián)）。程序設(shè)置每次進(jìn)入程序未知電阻的阻值都會(huì)改變。

轉(zhuǎn)動(dòng)主界面上的“R1和R2”按鈕，選擇倍率；按下粗調(diào)，電源（單），轉(zhuǎn)動(dòng)下方的五個(gè)旋鈕調(diào)節(jié)R0的阻值至檢流計(jì)指向0。接下來按下細(xì)調(diào)按鈕和電源（單），進(jìn)行細(xì)調(diào)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)五個(gè)旋鈕調(diào)節(jié)R0的阻值至檢流計(jì)指向0，測(cè)量結(jié)束。進(jìn)入數(shù)據(jù)處理，填寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)界面和數(shù)據(jù)處理界面來回切換，并且將測(cè)量的結(jié)果寫入表格中，按照數(shù)據(jù)處理的公式進(jìn)行通過程序自動(dòng)計(jì)算得到未知電阻的結(jié)果。

四、結(jié)論

用LabVIEW制作的單臂電橋測(cè)量電阻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅模擬了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的操作過程，而且還加入了數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完成后即可得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，使實(shí)驗(yàn)的效率大大提高，可用于遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，也可作為演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂中。把LabVIEW制作的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅能夠降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本改善教學(xué)條件，更為重要的是，軟件界面的真實(shí)性和可操作性，能給學(xué)生以身臨其境的感受，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。