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(jì)測(cè)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(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電學(xué)補(bǔ)償測(cè)量原理為基礎(chǔ)，應(yīng)用Matlab GUI構(gòu)建了測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電位差計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度的自動(dòng)計(jì)算及校準(zhǔn)曲線(xiàn)的準(zhǔn)確繪制，得到了完整的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電位差計(jì)；不確定度；Matlab；圖形界面

電位差計(jì)是一種高精確度的測(cè)量?jī)x器，其測(cè)量方法巧妙，用途廣泛，可以對(duì)電動(dòng)勢(shì)、電勢(shì)差、電流、電阻等電學(xué)量進(jìn)行高精確度測(cè)量，配合換能器，亦可用于溫度、位移等非電量的測(cè)量和控制[1]。為提高電位差計(jì)測(cè)量結(jié)果的精確性，減小示值誤差，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，分析測(cè)量結(jié)果的不確定度，包括標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類(lèi)評(píng)定和標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類(lèi)評(píng)定[2-3]。由于電位差計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)通常較多，而且測(cè)量不確定度的計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，校準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制要求精度高，使得數(shù)據(jù)處理計(jì)算量大，若利用手工運(yùn)算，則繁瑣而耗時(shí)，且誤差較大。Matlab軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和繪圖功能，通過(guò)GUI可以設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)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(xiàn))顯示出來(lái)，因此可以更高效地完成電位差計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理，更準(zhǔn)確地繪制校準(zhǔn)曲線(xiàn)[4-7]。

1電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)原理

電位差計(jì)主要采用電位補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)的精確測(cè)量，其原理如圖1所示。

若待測(cè)電動(dòng)勢(shì)EX≠標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)EN，則電路中會(huì)有電流通過(guò)檢流計(jì)G；調(diào)節(jié)EN，當(dāng)檢流計(jì)G指零時(shí)，EN對(duì)EX實(shí)現(xiàn)了等量補(bǔ)償，被測(cè)系統(tǒng)回歸原態(tài)，EX=EN。

電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的原理如圖2所示。測(cè)量時(shí)首先采用補(bǔ)償法，利用標(biāo)準(zhǔn)電阻Rp，結(jié)合檢流計(jì)標(biāo)定工作電流；其次調(diào)節(jié)RX滑動(dòng)端，使檢流計(jì)指針歸零，使電路補(bǔ)償?shù)轿?，則待測(cè)電動(dòng)勢(shì)EX可利用式(1)得到：

(1)

電位差計(jì)的測(cè)量不確定度包括A類(lèi)不確定度和B類(lèi)不確定度。A類(lèi)不確定度反映各電動(dòng)勢(shì)測(cè)量值的離散程度，可通過(guò)式(3)進(jìn)行計(jì)算

(2)

(3)

B類(lèi)不確定度主要包括儀器誤差限標(biāo)準(zhǔn)不確定度uj1和靈敏度誤差限標(biāo)準(zhǔn)不確定度uj2，可分別由式(5)和式(7)進(jìn)行計(jì)算。

電位差計(jì)儀器誤差限

(4)

(5)

(6)

(7)

測(cè)量的合成不確定度

(8)

2圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)

利用Matlab GUI設(shè)計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，應(yīng)具有人機(jī)友好的圖形用戶(hù)界面，具有系統(tǒng)性、交互性、實(shí)時(shí)性和實(shí)用性的特點(diǎn)[8]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhǔn)曲線(xiàn)繪制兩個(gè)界面。通過(guò)下拉菜單進(jìn)行切換。數(shù)據(jù)處理界面包括A類(lèi)不確定度計(jì)算、儀器誤差限標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算、靈敏度誤差限標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算、數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示四個(gè)部分；校準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制界面包括測(cè)量偏差計(jì)算、校準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制、電壓表級(jí)別標(biāo)定三個(gè)部分。系統(tǒng)界面和界面內(nèi)容也可通過(guò)get()和close()函數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。

數(shù)據(jù)處理界面如圖6所示，該界面程序運(yùn)行流程如圖8所示。

在不確定度的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果表示中，需要對(duì)有效數(shù)字進(jìn)行控制，標(biāo)準(zhǔn)不確定度保留1位有效數(shù)字，相對(duì)不確定度保留2位有效數(shù)字，在程序中通過(guò)vpa()函數(shù)進(jìn)行控制。電位差計(jì)儀器誤差限通過(guò)輸入實(shí)驗(yàn)中使用的電位差計(jì)精度，利用式(4)進(jìn)行計(jì)算；電位差計(jì)及靈敏度誤差限通過(guò)電位差計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)，利用式(6)及式(7)進(jìn)行計(jì)算，

校準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制界面如圖7所示。該界面的主要功能為繪制校準(zhǔn)曲線(xiàn)并標(biāo)定電壓表級(jí)別。利用圖3所示電壓表校準(zhǔn)電路得到電位差計(jì)和電壓表對(duì)同一電壓的測(cè)量值，計(jì)算△V，利用axes()函數(shù)繪制校準(zhǔn)曲線(xiàn)。

以測(cè)量1.5 V干電池電動(dòng)勢(shì)為例，該電位差計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖9所示，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度的正確計(jì)算及校準(zhǔn)曲線(xiàn)的準(zhǔn)確繪制，標(biāo)定了電壓表級(jí)別。

3結(jié)論

基于MatlabGUI的電位差計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以方便的實(shí)現(xiàn)電位差計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。該系統(tǒng)加深了測(cè)量者對(duì)于電位差計(jì)測(cè)量過(guò)程和校準(zhǔn)電壓表原理的認(rèn)識(shí)，簡(jiǎn)化了繁瑣的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，加快了實(shí)驗(yàn)完成的速度，實(shí)驗(yàn)圖形輸出也更加直觀(guān)、準(zhǔn)確。利用GUI強(qiáng)大的圖形繪制及顯示功能，可以方便的實(shí)現(xiàn)交互式數(shù)據(jù)處理和圖形輸出，靈活的實(shí)現(xiàn)內(nèi)容擴(kuò)展。

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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(xiàng)目：國(guó)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(hào)：1007-2934(2016)03-0092-04

中圖分類(lèi)號(hào)：O 4-39

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.025