王建中，黃 林，唐一文

（華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430079）

1 引 言

隨著科技的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件開發(fā)及傳感器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中所起的作用越來越重要.作為現(xiàn)代測量技術(shù)的重要發(fā)展方向，我們認(rèn)為，在課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)當(dāng)對(duì)這方面的內(nèi)容有所涉及.目前，國內(nèi)許多高校都建立了基于PASCO的“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室”，它本質(zhì)上是由程序控制的，基于各類傳感器的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).這類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)充分體現(xiàn)了現(xiàn)代測量技術(shù)具有“數(shù)字化”和“信息化”的特點(diǎn)，所以在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，適當(dāng)增加“數(shù)字化”方面的內(nèi)容，符合信息技術(shù)與課程相融合的發(fā)展趨勢(shì).基于以上認(rèn)識(shí)，我們將PASCO運(yùn)用到本校的 “數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室”中，并開設(shè)出了一系列的實(shí)驗(yàn).本文以“馬呂斯定律的驗(yàn)證”在PASCO系列實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為例，簡要介紹運(yùn)用Lab VIEW編程控制NI公司［1］的數(shù)據(jù)采集卡，并結(jié)合CI-6538角度傳感器和CI-6504A光傳感器來完成實(shí)驗(yàn)的過程與方法.

2 原理與裝置

當(dāng)自然光通過偏振片A和B，如圖1所示.偏振片間的透振方向夾角為φ，經(jīng)過起偏器A形成的線偏振光強(qiáng)度為I0，則通過檢偏器B的透射光強(qiáng)（相對(duì)光強(qiáng)）I將滿足如下關(guān)系（馬呂斯定律）［2］

可以讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證或者探究該定律.

圖1 馬呂斯定律示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)采用PASCO的OS-8525A作為實(shí)驗(yàn)光源，并將PASCO的CI-6504A光傳感器和CI-6538角度傳感器通過轉(zhuǎn)接頭（PASCO的CI-6718和CI-6719配件）與NI公司的PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡相連，2個(gè)傳感器采用外部直流穩(wěn)壓電源供電，工作電壓為＋5V，實(shí)驗(yàn)程序采用LabVIEW編程.實(shí)驗(yàn)時(shí)，偏振片A固定不動(dòng)，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)偏振片B，相對(duì)光強(qiáng)以及旋轉(zhuǎn)角度的測量由程序自動(dòng)完成.

3 實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)程序采用條件選擇結(jié)構(gòu)，程序結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

從圖3可知，程序的設(shè)計(jì)至少要滿足以下要求：首先，要準(zhǔn)確地完成相對(duì)光強(qiáng)和旋轉(zhuǎn)角度的測量；其次，實(shí)驗(yàn)程序應(yīng)能將所測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，以便實(shí)驗(yàn)者（程序操作者）觀察，同時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)有重復(fù)多次進(jìn)行的可能性，所以程序還必須加上數(shù)據(jù)清零的功能；最后，在測量結(jié)束時(shí)所測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要能自動(dòng)傳送至科學(xué)計(jì)算繪圖軟件（例如Origin）中以便作進(jìn)一步分析.其中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示和清零的功能在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)較為簡單，這里不再贅述.設(shè)計(jì)程序框圖如圖4所示.下面主要介紹相對(duì)光強(qiáng)測量、旋轉(zhuǎn)角度測量、數(shù)據(jù)傳遞模塊的實(shí)現(xiàn)方法.

圖3 實(shí)驗(yàn)程序結(jié)構(gòu)圖

圖4 實(shí)驗(yàn)程序框圖

3.1 相對(duì)光強(qiáng)測量模塊

在實(shí)驗(yàn)中相對(duì)光強(qiáng)的測量是依靠CI-6504A光傳感器來完成的，CI-6504A核心部件為PIN硅光電二極管，工作時(shí)采用＋5V電源供電，能夠?qū)⒐鈴?qiáng)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓輸出，光強(qiáng)大小與電壓大小在一定范圍內(nèi)成正比.CI-6504A對(duì)波長在320～1 100nm范圍內(nèi)的光波都有良好的響應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)中將CI-6504A光強(qiáng)傳感器通過CI-6718轉(zhuǎn)接頭與NI公司的PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端口相連，將采集卡模擬輸入端口測量的電壓（CI-6504A光傳感器輸出電壓）作為相對(duì)光強(qiáng).

3.2 旋轉(zhuǎn)角度測量模塊

偏振片A和B的透振方向夾角的測量主要依靠角度傳感器CI-6538來完成，CI-6538實(shí)質(zhì)是光學(xué)編碼器，由光學(xué)部分和電氣部分組成，工作電壓為＋5V.它旋轉(zhuǎn)1周最多能產(chǎn)生1 440個(gè)脈沖，所以它的最高分辨率為0.25°.在實(shí)際測量時(shí)，將角度傳感器CI-6538通過CI-6719轉(zhuǎn)接頭與PCI-6251采集卡相連，利用LabVIEW編寫的程序來控制采集卡，即可利用采集卡中的計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)測量得到的脈沖數(shù)就能夠換算成旋轉(zhuǎn)的角度.

3.3 數(shù)據(jù)傳遞模塊

LabVIEW和Origin之間的數(shù)據(jù)傳遞通過在LabVIEW編程環(huán)境中調(diào)用的5個(gè)vi即可，它們分別 是 OA＿ConnectToOrigin.vi，OA＿New-Worksheet.vi，OA＿FindWorksheet.vi，OA＿Get-Column.vi，OA＿Col-SetData.vi，其數(shù)據(jù)傳遞模塊的程序框圖如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)傳遞模塊

4 實(shí)驗(yàn)測量

實(shí)驗(yàn)需要從兩偏振片透振方向夾角為零時(shí)開始測量，根據(jù)傳感器與NI數(shù)據(jù)采集卡端口的連接情況，需要在程序控制面板“選項(xiàng)卡控件設(shè)置2”中對(duì)采集卡作一些必要的配置.例如可以選擇Dev1／ctr0作為計(jì)算器，計(jì)數(shù)方向選擇“升值計(jì)數(shù)”，邊沿選擇“上升沿”，模擬通道選擇“Dev1／ai0”.在測量時(shí)，固定偏振片A不動(dòng)，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)偏振片B，則偏振片透振方向的夾角φ與相對(duì)光強(qiáng)I的關(guān)系曲線可以伴隨偏振片B的旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)的在電腦上顯示出來，同時(shí)也可以得到夾角和相對(duì)光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，如圖6～7所示.

圖6 程序控制面板及實(shí)驗(yàn)曲線

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，其與理論關(guān)系符合得較好，證明所編寫的LabVIEW程序滿足實(shí)驗(yàn)測量要求.

5 結(jié)束語

在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過LabVIEW控制NI數(shù)據(jù)采集卡（連接相應(yīng)傳感器）來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，獲得了較好效果.我們期待通過這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，使學(xué)生初步掌握?qǐng)D形化工具LabVIEW的編程方法，熟悉NI數(shù)據(jù)采集卡的控制方法，從而為他們逐步掌握數(shù)字化測量技術(shù)的原理和方法打下一定基礎(chǔ).

［1］龍華偉.LabVIEW 8.2.1與 DAQ 數(shù)據(jù)采集［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［2］姚啟鈞.光學(xué)教程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］張偉，張偉，蔡穎標(biāo)，等.基于PASCO平臺(tái)的法拉第磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（7）：33-36.

［4］金立，史建軍，張曉波，等.基于PASCO系統(tǒng)的分光計(jì)實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（11）：276-269.

［5］彭東青，劉志高，黃宏緯，等.基于PASCO系統(tǒng)的物質(zhì)折射率測量［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，28（2）：33-35.

［6］謝行恕，康士秀，霍劍青.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)（第二冊(cè)）［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［7］路峻嶺.物理演示實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.