豐　遠，徐　琳，邊　健，劉　慧

(合肥學院 數(shù)學與物理系，合肥　230601)

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惠斯通電橋測量電阻仿真實驗設計

豐遠，徐琳，邊健，劉慧

(合肥學院 數(shù)學與物理系，合肥230601)

摘要：利用Visual Basic編程語言設計了惠斯通電橋測電阻的仿真實驗程序，該程序可以為使用者提供多種交互方式，并生成獨立的可執(zhí)行文件，該文件可通過配置包集成于大學物理實驗課程預習系統(tǒng)從而便于學生利用校園網(wǎng)絡進行實驗的預習和復習。

關鍵詞：惠斯通電橋；仿真實驗；Visual Basic

1仿真實驗分析

測量未知電阻的阻值可以采用伏安法，但是這種測量方法受到電表內阻的影響，無論采用電流表內接或外接，總會帶來系統(tǒng)誤差。如何使表內無電流流過，而又能把待測電阻阻值測量準確？一個很有效的電路就是惠斯通電橋電路，因此各理工科院校均開展用惠斯通電橋測量中值電阻的實驗[1]?；赩isual Basic編程語言提供的可視化編程界面可以很方便的進行惠斯通電橋測電阻仿真實驗設計，其主要特點在于：采用可視化程序設計思想，不必用大量代碼去描述界面元素的外觀和位置；基于面向對象的事件驅動編程機制因此具有高度的可擴充性[2]。

惠斯通電橋測中值電阻的實驗目的是掌握惠斯通電橋結構特點及測電阻原理；學會正確使用箱式電橋測量電阻；理解電橋靈敏度概念等。圍繞上述實驗目的，本仿真實驗著重介紹了惠斯通電橋原理、電橋靈敏度概念、交換測量法、實驗步驟、注意事項，并給出虛擬的惠斯通電橋裝置。

2仿真實驗設計過程

2.1總體框架

仿真實驗項目由四部分組成，分別為：仿真實驗室界面(Form1)、仿真電橋界面(Form2)、外接檢流計調整界面(Form3)和實驗測量界面(Form4)。

2.2仿真實驗室界面

仿真實驗室界面(Form1)為引導式菜單界面。通過單擊右上角問號圖標或者單擊鼠標右鍵出現(xiàn)彈出式菜單，菜單項目依次為：實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗內容與步驟、思考題等。惠斯通電橋測電阻仿真實驗室界面如圖1所示，關鍵程序設計如下：

Private Sub Form_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single)

If Button = 2 Then單擊鼠標右鍵

Form1.PopupMenu sycd 彈出式菜單

End If

End Sub

圖1　惠斯通電橋測電阻仿真實驗室界面

2.3直流單臂電橋仿真實現(xiàn)

惠斯通電橋主要由比例臂(倍率旋鈕)、比較臂(標準可變四旋鈕電阻箱)、測量臂(待測電阻Rx)和檢流計組成[3]。

2.3.1比較臂阻值調整過程

比較臂由標準可變四旋鈕電阻箱構成，最小改變量為1Ω，倍率分別為1、10、100、1000，其調整設計思路如下：加載四幅旋鈕圖片(Image2—Image5)，初始位置均指零，在Image屬性窗口中將MousePointer屬性設置為99-Custom，即用戶自定義。當鼠標移動至旋鈕位置即可出現(xiàn)旋轉指示圖標，旋轉分為順時針和逆時針旋轉，單擊鼠標右鍵可以切換兩種旋轉方式并出現(xiàn)不同的圖標指示(左手代表順時針旋轉，右手代表逆時針旋轉)，在不同旋轉方式下點擊旋鈕圖片響應 Image_Click事件，依次加載不同阻值的圖片，改變阻值大小。仿真單臂直流電橋如圖2所示，以下是倍率為1的旋鈕屬性設置及鼠標右鍵單擊程序[4]：

Private Sub Image2_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single)

Static m As Integer

m = m + 1

n = m Mod 2

If n = 0 Then

If Button = 2 Then按下鼠標右鍵

Option1.Value = True 單選按鈕1選中，定義旋鈕順時針旋轉

x1 = x1 - 1

Image2.MouseIcon = LoadPicture(App.Path + "L.cur") 出現(xiàn)左手圖標：提示旋鈕順時針旋轉

End If

ELseIf n = 1 Then

If Button = 2 Then 再次按下鼠標右鍵

Option2.VaLue = True 單選按鈕2選中，定義旋鈕逆時針旋轉

x1 = x1 + 1

Image2.MouseIcon = LoadPicture(App.Path + "R.cur")出現(xiàn)右手圖標：提示旋鈕逆時針旋轉

End If

圖2　仿真直流單臂電橋

上述程序可以識別鼠標單擊狀態(tài)，右鍵單擊改變旋轉方式(順時針或逆時針)，左鍵單擊改變旋鈕的阻值大小(0—9)，以下為鼠標左鍵單擊程序：

Private Sub Image2_CLick() 鼠標左鍵單擊旋鈕圖片

If Option1.VaLue = True Then單選按鈕1屬性為真(順時針)

x1 = x1 + 1

Dim t As Integer

t = x1 Mod 10

If t = 0 Then加載順時針旋轉圖片

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 0.jpg") 阻值數(shù)字“0”

ELseIf t = 1 Then

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 1.jpg")阻值數(shù)字“1”

ELseIf t = 2 Then

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 2.jpg")阻值數(shù)字“2”

……

End If

ELseIf Option2.VaLue = True Then單選按鈕2屬性為真(逆時針)

x1 = x1 - 1

t = x1 Mod 10

If t = 0 Then 加載逆時針旋轉圖片

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 0.jpg") 阻值數(shù)字“0”

ELseIf t = 1 Then

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 1.jpg") 阻值數(shù)字“1”

ELseIf t = 2 Then

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 2.jpg") 阻值數(shù)字“2”

……

End If

同理，利用以上編程方法可以實現(xiàn)倍率為10、100、1000的比較臂阻值和比例臂數(shù)值的改變。

2.3.2比較臂、比例臂阻值大小確定

比較臂阻值大小的確定較為簡單，將5個文本框(Text1—Text5)添加到窗體Form2上，在屬性窗口中將VisibLe屬性設置為FaLse，即運行時不可見。當不同倍率旋鈕圖片點擊加載時，分支語句判斷條件“t”值即為旋鈕指示值(0—9)再乘以其相應倍率，最后將比較臂四個旋鈕阻值相加輸出到Text5文本框。比較臂阻值確定程序如下：

Private Sub Image2_CLick() 倍率為1的旋鈕點擊

Text1.Text = t

Text5.Text = VaL(Text1) + VaL(Text2) + VaL(Text3) + VaL(Text4)

End Sub

Private Sub Image3_CLick() 倍率為10的旋鈕點擊

Text2.Text = t*10 文本框數(shù)值乘以10

Text5.Text = VaL(Text1) + VaL(Text2) + VaL(Text3) + VaL(Text4)

End Sub

同理，利用上述方法可以確定比例臂的數(shù)值。

2.4檢流計的調整和待測電阻測量

惠斯通電橋實驗中既可以使用內置檢流計也可以使用外接檢流計，其調整和使用方法類似，即先調零，測量時先按下B鍵(電源開關)再按G鍵(檢流計開關)，反復通斷看示零器指針變化，分析比較臂阻值是偏大還是偏小，從而有針對性的調節(jié)，使得電橋盡快平衡。

為實現(xiàn)以上功能，仿真設計如下：檢流計指針使用VB畫線控件Line代替，在屬性窗口中把邊框顏色(BorderCoLors)屬性值設置為紅色，線段寬度(BorderWidth)設為1。坐標點(X1，Y1)和(X2，Y2)確定其兩個端點的位置，固定下端坐標(X2，Y2)，只改變上端坐標(X1，Y1)，鼠標點擊“電計”按鈕(LabeL3)，程序判斷比較臂阻值大小，根據(jù)電流情況改變檢流計指針[5]。實驗測量界面如圖3所示，主要程序設計如下：

圖3　實驗測量界面

Private Sub LabeL3_CLick()單擊“電計”按鈕

Dim R0 As Integer ；Dim K As SingLe ；Dim R1 As SingLe

K = VaL(Text6) 比例臂數(shù)值

R0 = VaL(Text5)比較臂數(shù)值

R1 = K * R0 待測電阻值

If R1>= 0 And R1 < 10 Then

Line1.X1 = 8880 ；Line1.Y1 = 3720 檢流計指針左滿偏

Line1.X2 = 9720 ；Line1.Y2 = 4080

ELseIf R1>= 10 And R1 < 20 Then

Line1.X1 = 9400 ；Line1.Y1 = 3360

Line1.X2 = 9720 ；Line1.Y2 = 4080

……

ELseIf R1=176 Then待測電阻值設為176Ω

Line1.X1 = 9720 ；Line1.Y1 = 3360檢流計指針指零

Line1.X2 = 9720 ；Line1.Y2 = 4080

……

ELseIfR >= 380 Then

Line1.X1 = 10560 ；Line1.Y1 = 3720檢流計指針右滿偏

Line1.X2 = 9720；Line1.Y2 = 4080

End If

End Sub

此時可以在實驗測量界面菜單欄中利用InputBox函數(shù)輸入結果，程序會判斷結果正確與否。

2.5仿真實驗網(wǎng)絡在線預習

惠斯通電橋測電阻仿真實驗程序通過運行后，可將工程編譯成能脫離VB環(huán)境而獨立運行的可執(zhí)行程序，該程序可以通過配置包的方式集成于大學物理實驗預習大廳中，網(wǎng)絡在線預習界面如圖4所示。該大廳可以通過校園網(wǎng)絡進行下載使用，下載地址為：http://172.21.11.215:8710。

圖4　網(wǎng)絡在線預習界面

3結論

惠斯通電橋測電阻仿真實驗程序設計簡單，操作界面友好，并可將其與現(xiàn)有的大學物理實驗網(wǎng)絡預習平臺整合，學習者可以通過在線實驗預習環(huán)境，了解實驗原理、實驗內容、熟悉實驗儀器，對實驗環(huán)境建立直觀認識。這樣使得它可以很好的服務于大學物理實驗課前的預習和模擬操作，提高了學生的學習興趣，從而發(fā)揮了模擬實驗和真實實驗虛實結合、相互補充的優(yōu)點[7]。

參考文獻：

[1]趙青生，汪洪，夏傳鴻，等.新編大學物理實驗 [M]. 合肥:安徽大學出版社，2009：134-135.

[2]孫家啟，潘地林. VisuaL Basic 程序設計教程[M]. 合肥: 安徽大學出版社，2002：2-3.

[3]趙凱華，陳熙謀.電磁學[M]. 北京:高等教育出版社，1985:268-269.

[4]Eric BrierLey. VisuaL Basic 6開發(fā)人員指南[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,1999 ：203-204.

[5]豐遠. 基于VB的十一線式電位差計仿真實驗設計[J].佳木斯大學學報：自然科學版，2010，28(3)：479.

[6]楊述武. 普通物理實驗：二、電磁學部分[M]. 北京:高等教育出版社，2000:68.

[7]唐鋒意，張翼. 大學物理仿真實驗在民族醫(yī)學院校中的應用淺談[J].大學物理，2011,30(2):32.

[責任編輯：張永軍]

The Design of Simulated Experiment of Measuring Electrical Resistance with Wheatstone Bridge

FENG Yuan，XU lin，BIAN jian，LIU hui

(Department of Mathematics and Physics, Hefei University, Hefei 230601,China)

Abstract:In this paper，the simulated experiment of measuring electrical resistance with Wheatstone bridge was designed by software of Visual Basic. The program will provide users multi-way of interactive and generated independent executable files, which can be easily built in preview system of physical experiment course in universities. Therefore students can preview and review experiments conveniently based on the existing network in universities.

Key words:Wheatstone bridge; simulated experiment; Visual Basic

中圖分類號：TN606

文獻標識碼：A

文章編號：1673-162X(2016)01-0081-05

作者簡介：豐遠(1983—)，男，安徽合肥人，合肥學院數(shù)學與物理系助理實驗師，碩士；研究方向：計算機輔助教學。

基金項目：合肥學院科學研究發(fā)展基金(14KY15ZR)資助。

收稿日期：2015-09-08修回日期：2015-11-30