楊鐵柱，周 帥，潘 峰

(鄭州科技學(xué)院 基礎(chǔ)部，河南 鄭州 450064)

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，電表的改裝與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)屬于基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能增加學(xué)生對(duì)電學(xué)知識(shí)的理解，同時(shí)能提升學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。實(shí)驗(yàn)根據(jù)電路的分流和分壓原理，將一個(gè)只允許通過較小電流的磁電式儀表(表頭)改裝為具有較大量程的電流表和電壓表。實(shí)驗(yàn)以黑盒子式儀器為主，操作安全，但不利于學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)過程主要包含了電路設(shè)計(jì)、理論計(jì)算和改裝電表等環(huán)節(jié)，任意環(huán)節(jié)的進(jìn)展緩慢都會(huì)影響到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的效率。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生課前預(yù)習(xí)不夠直觀，是造成實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、效率低等問題的主要原因。

LabVIEW(Laboratory Visual Instrument Engineering Workbench)是由美國國家儀器(National Instrument)公司開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境[1]，使用圖形化編程語言(Graphics Language)[2]。LabVIEW程序?yàn)榭驁D形式，具有清晰直觀易于學(xué)習(xí)，功能強(qiáng)大，易于調(diào)試和維護(hù)等特點(diǎn)，并且生成的獨(dú)立可執(zhí)行程序(EXE)可以共享在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，有助于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的信息化教學(xué)。LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究中都得到了廣泛的應(yīng)用[3-7]，但針對(duì)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真系統(tǒng)較少。為了加深學(xué)生對(duì)儀器結(jié)構(gòu)的了解，應(yīng)用Solidworks軟件制作了儀器結(jié)構(gòu)爆炸圖。針對(duì)此項(xiàng)空缺利用LabVIEW編程設(shè)計(jì)了一套集電表改裝與校準(zhǔn)功能于一體的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 電表改裝與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)原理

教學(xué)中，表頭G只允許通過較小的電流。通過并聯(lián)電阻，可以將表頭改裝為量程較大的電流表；通過串聯(lián)電阻，可以將表頭改裝為量程較大的電壓表。實(shí)驗(yàn)主要包含以下三個(gè)步驟：

(1) 測(cè)量表頭的滿偏電流Ig和內(nèi)阻Rg

測(cè)量表頭的滿偏電流Ig和內(nèi)阻Rg是實(shí)驗(yàn)的第一步。此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇的測(cè)量方法是替代法，其原理圖如圖1所示[8-9]。

圖1 替代法原理圖

R1為阻值連續(xù)可變的滑線變阻器，R2為電阻箱。

替代法測(cè)量包含兩個(gè)基本步驟：第一步，將R1的阻值調(diào)節(jié)到最大值，電源電壓調(diào)節(jié)到最小，閉合總開關(guān)K，將單刀雙擲開關(guān)接通表頭一側(cè)，調(diào)節(jié)R1和電源電壓使表頭達(dá)到滿偏，記錄標(biāo)準(zhǔn)電流表示數(shù)，即為表頭的滿偏電流Ig；第二步，保持電源電壓和R1的阻值不變，將單刀雙擲開關(guān)接通電阻箱R2一側(cè)，調(diào)節(jié)R2致標(biāo)準(zhǔn)電流表讀數(shù)為Ig，此時(shí)R2所示阻值為表頭內(nèi)阻Rg的值。

(2) 改裝成量程為Im的電流表

Rp為電阻箱。

改裝電流表原理圖如圖2所示。

圖2 改裝電流表原理圖

根據(jù)并聯(lián)電路的分流原理，將表頭與電阻箱Rp并聯(lián)。當(dāng)干路的總電流達(dá)到Im時(shí)，通過表頭的電流為滿偏電流Ig，通過電阻箱的電流為Im-Ig。由并聯(lián)電路的特點(diǎn)和歐姆定律可以得到：

(Im-Ig)RP=IgRg

(1)

(2)

(3)改裝成量程為Um的電壓表

改裝電壓表的原理圖如圖3所示。

Rs為電阻箱圖3 改裝電壓表原理圖

根據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理，表頭與電阻箱串聯(lián)。當(dāng)通過表頭的電流為滿偏電流Ig時(shí)，改裝電壓表達(dá)到滿偏電壓Um，由串聯(lián)電路的特點(diǎn)和歐姆定律可以得到：

(Rs+Rg)Ig=Um

(3)

(4)

(4)改裝電表的校準(zhǔn)

改裝電表的校準(zhǔn)是實(shí)驗(yàn)重要的組成部分，改裝電流表校準(zhǔn)原理圖如圖4所示，改裝電壓表校準(zhǔn)原理圖如圖5所示。

圖4 改裝電流表校準(zhǔn)原理圖

圖5 改裝電壓表校準(zhǔn)原理圖

將改裝電表的指針間隔上升和下降各一次，并指示在相同刻度上，分別讀取標(biāo)準(zhǔn)電表的示數(shù)并計(jì)算平均值記為Is(或Us)，并與改裝電表對(duì)應(yīng)刻度上的示數(shù)Ix(或Ux)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出修正值ΔIx=Ix-Is(或ΔUx=Ux-Us)。改裝電表的準(zhǔn)確度等級(jí)a的計(jì)算公式為(其中a0為表頭的不確定度)[7]：

(5)

2 基于LabVIEW電表地改裝與校準(zhǔn)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)時(shí)，電源內(nèi)阻設(shè)置為1 Ω，標(biāo)準(zhǔn)電流表內(nèi)阻設(shè)置為100 Ω，表頭內(nèi)阻為100 Ω，電壓表內(nèi)阻設(shè)置為11 000 000 Ω。為了讓實(shí)驗(yàn)更加接近實(shí)際，在程序中，利用隨機(jī)數(shù)，為表頭讀數(shù)加入了不大于2.0%的隨機(jī)誤差。

2.1 系統(tǒng)前面板及運(yùn)行情況

仿照THKDG-1型電表改裝與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)儀，設(shè)計(jì)了虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)的前面板，如圖6所示。運(yùn)行這個(gè)VI程序，按照如下步驟完成實(shí)驗(yàn)操作，并對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、調(diào)節(jié)和使用，達(dá)到模擬完成電表的改裝與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的全部過程。

圖6 系統(tǒng)前面板

(1)打開電源開關(guān)(紅色代表打開，白色代表關(guān)閉)，電源電壓和滑動(dòng)變阻器R1均連續(xù)可調(diào)。

2)中間下方選擇框中選擇接表頭，調(diào)節(jié)電源電壓和滑動(dòng)變阻器電阻，使表頭達(dá)到滿偏，通過標(biāo)準(zhǔn)電流表讀出表頭的滿偏電流Ig。

(3)中間下方選擇框中選擇接電阻，保持電源電壓和滑動(dòng)變阻器R1的阻值不變，調(diào)節(jié)電阻箱阻值使標(biāo)準(zhǔn)電流表讀數(shù)為Ig，此時(shí)電阻箱阻值為表頭內(nèi)阻Rg的值。

2.2 電表示數(shù)計(jì)算公式

測(cè)量表頭的滿偏電流和內(nèi)阻步驟中，由圖1所示，系統(tǒng)中電流強(qiáng)度公式為：

(6)

其中標(biāo)準(zhǔn)電表電阻為100 Ω，r為電源內(nèi)阻(1 Ω)，Rg為表頭內(nèi)阻(接表頭系統(tǒng)中Rg的值為100 Ω，接電阻系統(tǒng)中的Rg值為0 Ω)，R1為滑動(dòng)變阻器阻值，R2為電阻箱阻值(接表頭電路系統(tǒng)中R2的值為0 Ω，接電阻系統(tǒng)中值可調(diào))。

改裝電流表系統(tǒng)中，如圖4所示，標(biāo)準(zhǔn)電流表電流強(qiáng)度Is計(jì)算公式為：

(7)

表頭電流強(qiáng)度Ig計(jì)算公式為：

(8)

Rp為并聯(lián)電阻箱阻值，在程序中為R2。

改裝電壓表步驟中，如圖5所示，標(biāo)準(zhǔn)電壓表電壓強(qiáng)度Vs計(jì)算公式為：

(9)

其中Rv為電壓表內(nèi)阻(11 000 000 Ω)，Rs為串聯(lián)電阻箱阻值，在程序中為R2。

表頭電壓強(qiáng)度Vg計(jì)算公式為：

(10)

2.3 程序框圖和儀器結(jié)構(gòu)爆炸圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中主要有4個(gè)程序，分別為測(cè)量表頭滿偏電流程序、接電阻箱測(cè)表頭內(nèi)阻程序、改裝電流表程序和改裝電壓表程序等，如圖7所示。

圖7 電表改裝程序框圖

2.4 說明

(1)在操作本系統(tǒng)時(shí)，只有當(dāng)儀器總開關(guān)(右下角，打開時(shí)為紅色，關(guān)閉時(shí)為灰色)打開時(shí)，被電表才能顯示出準(zhǔn)確讀數(shù)。

(2)直流電源顯示框顯示了電源電壓值，其左側(cè)按鈕可以對(duì)電壓值進(jìn)行微調(diào)，能在調(diào)節(jié)電壓時(shí)起到補(bǔ)充作用。

(3)當(dāng)表頭指針超過量程時(shí)超量程指示燈會(huì)顯示為紅色，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)聲。

3 結(jié) 論

以LabVIEW為開發(fā)工具，針對(duì)電表改裝與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電表改裝與校準(zhǔn)的全部功能?；贚abVIEW開發(fā)出的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)易于維護(hù)，不用擔(dān)心儀器損壞問題。系統(tǒng)前面板直觀、動(dòng)態(tài)、易于操作，儀器結(jié)構(gòu)爆炸圖清晰顯示出了儀器結(jié)構(gòu)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。通過在網(wǎng)絡(luò)上共享生成的(EXE)程序，方便學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，提高了教師上課的效率，促進(jìn)了物理實(shí)驗(yàn)課程的信息化教學(xué)。