張明長，田益民

(北京印刷學(xué)院 基礎(chǔ)部,北京 102600)

動態(tài)磁滯回線實驗儀器由實驗儀和測試儀兩部分組成，再配合示波器，成為一個完整的實驗裝置。實驗儀面板提供鐵磁物質(zhì)樣品，勵磁電壓和電流取樣電阻及測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的積分電路。

B和H的實驗數(shù)據(jù)在測試儀顯示窗口用八段數(shù)碼管顯示，如圖1所示。

圖1 磁滯回線測量裝

經(jīng)過簡單的連線，就是一個完整磁滯回線實驗儀，該實驗儀輸出模擬信號UB和UH是正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場強(qiáng)度H的電壓信號，將UB和UH兩路信號送入示波器，在示波器的X-Y模式下就能夠顯示出一個完整的磁滯回線；將該兩路電壓信號送入測試儀進(jìn)行采樣、計算等數(shù)據(jù)處理就獲得磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場強(qiáng)度H的實驗數(shù)據(jù)[1]。

TH-MHC型磁滯回線測試儀與實驗儀組合使用，能夠定量、準(zhǔn)確、快速地測量鐵磁物質(zhì)的磁場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩磁、矯頑力、磁滯損耗等相關(guān)參數(shù)。此測試儀是一臺單片微型計算機(jī)(其CPU是MCS-51)及一些外圍的數(shù)據(jù)采樣、放大、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、顯示等功能組成，如圖2所示。并且還附有RS-232串行輸出通訊接口，能夠與計算機(jī)的串口相連，在計算機(jī)上讀取采集處理的數(shù)據(jù)信號，將實驗數(shù)據(jù)保存在硬盤上，并且可以在計算機(jī)顯示屏上顯示磁滯回線，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、曲線打印等。

圖2 測試儀原理圖

1 磁滯回線測試儀信息顯示

測試儀通過兩個各有5位的八段數(shù)碼管顯示窗口顯示信息[2]，實驗者通過操作5個按鍵控制測試儀，實現(xiàn)人機(jī)之間的信息交流互動。

磁滯回線實驗是采用計算機(jī)測試，其特點是對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、加工計算等處理，獲得需要的數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示,或者直接在顯示屏上畫出實驗曲線等等。當(dāng)今，絕大多數(shù)計算機(jī)控制測試，使用的并非是多功能電腦，而是單一功能的計算機(jī)，這種單一功能的計算機(jī)就是工業(yè)上用得最多的單片機(jī)。單片機(jī)是單一功能的計算機(jī)，開發(fā)者編寫一些有限的軟件驅(qū)動程序，植入芯片實現(xiàn)測量控制，完成特定的專項任務(wù)。早期的單片機(jī)絕大部分是用數(shù)碼管顯示信息，隨著科技的發(fā)展，液晶屏技術(shù)不斷完善，價格急劇降低，使用越來越普及，近幾年工業(yè)控制單片機(jī)多數(shù)采用液晶屏進(jìn)行顯示信息。

數(shù)碼管的優(yōu)點是顯示0～9這幾個數(shù)字清晰漂亮，給人很直觀的感覺，但是顯示其他字符信息就有很大困難，使人難以理解。由于筆者實驗室的磁滯回線實驗儀是2003年購置，屬于早期產(chǎn)品，數(shù)碼管窗口顯示信息除了0～9這幾個數(shù)字外，還要顯示一些特定的英文字符。使用數(shù)碼管顯示英文字符的確有些難度，給程序員提出很大挑戰(zhàn)，但是對于實實在在的八段數(shù)碼管這種電子元器件，通過點亮不同的段碼(LED)方式顯示字符也只能這樣了。Proteus仿真[3-5]顯示電路如圖3所示。

圖3 仿真顯示部分電路圖

2 磁滯回線測試儀信息交流仿真

測試儀通過數(shù)碼管顯示信息，實驗者通過操作5個按鍵控制測試儀，實現(xiàn)人機(jī)之間的信息互動。其按鍵功能說明如下：

功能鍵：用于選取不同的功能，每按一次鍵，將在數(shù)碼顯示窗口上顯示出相應(yīng)的功能。

確認(rèn)鍵：當(dāng)選定某一功能后，再按此鍵，即可進(jìn)入此功能的執(zhí)行程序。

數(shù)位鍵：在選定某一位數(shù)碼管為數(shù)據(jù)輸入位后，連續(xù)按動此鍵，使小數(shù)點右移至所選定的數(shù)據(jù)輸入位處，此時小數(shù)點呈閃爍狀態(tài)。

數(shù)據(jù)鍵：連續(xù)按動此鍵，可以改變小數(shù)點閃爍位的顯示數(shù)字。

復(fù)位鍵：在測試過程中可能由于外來干擾信號影響或操作錯誤出現(xiàn)死機(jī)、需要重復(fù)測量某一參量時，按此鍵，使儀器恢復(fù)正常進(jìn)入工作狀態(tài)。

課堂實驗中，學(xué)生操作的主要是功能鍵和確認(rèn)鍵，需要重復(fù)測量或異常時還用到復(fù)位鍵。

(1)開機(jī)狀態(tài)或按復(fù)位鍵后：顯示窗口顯示P…8…P…8…P…8…P…8

圖4 顯示開機(jī)、復(fù)位信息

(2)顯示測試樣品的N和L值：按功能鍵顯示

圖5 顯示樣品的N和L值信息

這里顯示的N=50匝、L=60 mm為儀器事先的設(shè)定值。

(3)顯示所測樣品的n與S值：按功能鍵顯示：

圖6 顯示樣品的n與S值信息

這里顯示的n=150匝，S=80 mm2為儀器事先設(shè)定值。

(4)電阻R1值和H、B值的倍數(shù)代號：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖7 顯示電阻值R1值和H、B值的倍數(shù)信息

這里顯示的R1=2.5 Ω，H、B的倍數(shù)(倍數(shù)是指其顯示值需乘倍數(shù))代號3是儀器事先設(shè)定值，亦可以修改，不同倍數(shù)由表1給出。H、B值是計算獲得的數(shù)值，編寫程序時，為了給實驗者提供更多的有效數(shù)字，有意地將數(shù)量級進(jìn)行隱含。

表1 倍數(shù)代號對應(yīng)倍數(shù)及單位

(5)顯示電阻R2、電容C2值：繼續(xù)按功能鍵顯示：

圖8 顯示電阻R2、電容C2值信息

這里顯示的電阻R2=10 Ω、電容C2=20 μf為儀器事先的設(shè)定值。

(6)定標(biāo)參數(shù)顯示(僅調(diào)試用)：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖9 顯示定標(biāo)參數(shù)詢問信息

按確認(rèn)鍵，將顯示UHC和UBC電壓值。

(7)顯示每周期采樣的總點數(shù)和測試信號頻率：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖10 顯示每周期采樣總點數(shù)和測試頻率

按確認(rèn)鍵，將顯示出每周期采樣的總點數(shù)n和測試信號的頻率f。

圖11 顯示采樣總點數(shù)和測試信號頻率值

窗口顯示的是測量數(shù)據(jù)總點數(shù)和曲線的頻率值，他告訴我們，測量這么多數(shù)據(jù)點花掉的時間是頻率的倒數(shù)。從計算機(jī)測試來說，計算機(jī)只認(rèn)識時間，測量這么多數(shù)據(jù)點只用了一個周期的時間，并且計算機(jī)記錄數(shù)據(jù)是根據(jù)時間的推移來取點。實驗時，將單相市電經(jīng)過降壓變換成需要幅值的電壓，我國使用的電壓信號頻率是50 Hz，周期為20 ms，即測量這么多點數(shù)據(jù)，花掉的時間是20 ms?？梢姡嬎銠C(jī)測量數(shù)據(jù)速度是多么的快。

(8)數(shù)據(jù)采樣：繼續(xù)按功能鍵將顯示

圖12 顯示數(shù)據(jù)采樣詢問信息

該窗口顯示意在詢問要測量數(shù)據(jù)嗎，按確認(rèn)鍵表示認(rèn)可，將按照(7)所確定的點數(shù)對磁滯回線進(jìn)行自動采樣，窗口顯示

圖13 顯示采樣過程信息

若測試系統(tǒng)正常，稍等片刻后(>20 ms)，顯示器將顯示“GOOD”,表明采樣成功，即可進(jìn)入后續(xù)操作；如果顯示“BAD”，表明系統(tǒng)采樣失敗，需要查明原因并修復(fù)后，重新按“功能”鍵，程序?qū)⒎祷氐綌?shù)據(jù)采樣狀態(tài)，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。

圖14 顯示采樣成功信息

不是前面已經(jīng)提到，采樣一個周期的時間是20 ms，為什么在這兒又說大于20 ms呢？這是因為當(dāng)發(fā)出測試指令后，先進(jìn)行相位檢測，花掉一部分時間，再進(jìn)行采樣測量花掉20 ms的時間，還有51單片機(jī)CPU和數(shù)據(jù)存儲器是分開的，將CPU計算結(jié)果轉(zhuǎn)入存儲器，在運輸?shù)酱鎯ζ鞯木€路上花掉絕大部分時間，結(jié)果是從發(fā)出測試指令到確認(rèn)測試成功的時間遠(yuǎn)大于20 ms。

(9)顯示磁滯回線采樣點H和B的值：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖15 詢問顯示磁滯回線采樣點信息

接著每按2次確認(rèn)鍵，將顯示曲線上一點的H和B值，第一次按確認(rèn)鍵顯示采樣點序號，相當(dāng)于Excel表的行號；第二次按確認(rèn)鍵顯示出該行記錄的H和B值，相當(dāng)于行號對應(yīng)行的數(shù)值(通過該操作可以很好地理解計算機(jī)中數(shù)據(jù)存儲方式,數(shù)據(jù)存儲器就是看不見的Excel數(shù)據(jù)表格。)，采樣總點數(shù)參見(7)，H和B值的倍數(shù)參見(4)。顯示磁滯回線上的點是依第4、1、2、3象限的順序進(jìn)行(該儀器測量磁滯回線發(fā)出指令test后，先進(jìn)行相位檢測，在3π/2時開始記錄數(shù)據(jù)。)。從示波器上可以觀察到磁滯回線是閉合的非對稱曲線，實驗數(shù)據(jù)記錄一定要體現(xiàn)出曲線的封閉性、非對稱性；非對稱曲線上有部分?jǐn)?shù)據(jù)點又是關(guān)于原點對稱，比較特殊，以特定的名字給予命名(矯頑力、剩磁和磁飽和點)。調(diào)節(jié)示波器，使封閉曲線的中心處在坐標(biāo)原點，可以看到，曲線長度在1、3象限幾乎相等，2、4象限亦幾乎相等，曲線長度代表了測量點數(shù)的多少，可知采樣點數(shù)1、3象限占了數(shù)據(jù)的絕大多數(shù)，2、4象限數(shù)據(jù)相對較少。

若在進(jìn)行(8)步序測量中，只按功能鍵而未按確認(rèn)鍵(表明未完成數(shù)據(jù)采樣，沒有獲得實驗數(shù)據(jù)，相當(dāng)于沒有填寫隱形的Excel數(shù)據(jù)表格)，此時按確認(rèn)鍵將顯示：“NO DATA”,表示操作有誤。

圖16 顯示出錯信息

(10)顯示磁滯回線的矯頑力HC和剩磁Br：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖17 顯示磁滯回線矯頑力和剩磁的詢問信息

按確認(rèn)鍵，將顯示出矯頑力HC和剩磁Br之值(前面所確定的倍數(shù))。

(11)顯示樣品的磁滯損耗：按功能鍵顯示

圖18 顯示磁滯損耗詢問信息

按確認(rèn)鍵，將顯示樣品的磁滯損耗。

磁滯損耗的計算公式：

同樣，若在進(jìn)行(8)步序測量中，只按功能鍵而未按確認(rèn)鍵(表明未完成數(shù)據(jù)采樣，沒有獲得實驗數(shù)據(jù))，此時按確認(rèn)鍵亦將顯示：“NO DATA”,表示操作有誤。

(12)顯示H與B的最大值Hm與Bm：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖19 顯示磁飽和點詢問信息

按確認(rèn)鍵，將顯示出Hm與Bm之值，這就是不同勵磁電壓下磁飽和點數(shù)值。

Hm、Bm的下標(biāo)m是maximum的首字符，因為m有3個豎杠，八段數(shù)碼管只有2個豎杠，八段數(shù)碼管無法顯示m,只能用n來代替m了。

其他顯示內(nèi)容及按鍵操作，由于沒有涉及到實驗教學(xué)的直觀現(xiàn)象，在此就不再展示說明。實驗數(shù)據(jù)是計算機(jī)采樣電壓信號后計算獲得的，有關(guān)數(shù)據(jù)采樣過程需要和實物連接，仿真時沒有直觀現(xiàn)象展示，可以參閱有關(guān)A/D，D/A轉(zhuǎn)換書籍。本實驗需要同時采樣2路電壓信號，采取分時進(jìn)行采樣法處理，具體涉及計算機(jī)方面的知識，可以參閱相關(guān)書[6-8]。

3 結(jié) 語

實驗課教學(xué)中，數(shù)碼管顯示屏顯示這些不完整的英文字符，給學(xué)生有稀奇古怪、難以理解之惑，操作上常常出現(xiàn)選擇“功能”錯誤，導(dǎo)致記錄數(shù)據(jù)張冠李戴。筆者在實驗課教學(xué)中，采用Proteus實時仿真功能，編寫驅(qū)動程序，進(jìn)行仿真講解，展示數(shù)碼管的顯示機(jī)理，加深學(xué)生的課堂理解，減少實驗出錯概率；同時仿真過程是實時動態(tài)展示過程，能夠吸引學(xué)生的眼球，激發(fā)學(xué)生的實驗興趣。在實驗課教學(xué)過程中，創(chuàng)造機(jī)會引導(dǎo)學(xué)生研究實驗儀器，探討儀器的設(shè)計制作，更深層次地學(xué)習(xí)理解物理實驗課。