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        LabVIEW在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

        2021-12-30 11:10:10萬志龍金雪塵黃紅云
        大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:差法駐波聲速

        萬志龍,王 剛,金雪塵,黃紅云

        (1.常州工學(xué)院 理學(xué)院,江蘇 常州 213032;2.常州工學(xué)院 產(chǎn)教融合工作辦公室,江蘇 常州 213032)

        大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等院校針對(duì)理工科專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程[1],在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和思維創(chuàng)新能力方面有著不可替代的作用,其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差分析是學(xué)生必須掌握的一項(xiàng)基本技能。傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂大都使用計(jì)算器作為工具來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少時(shí),此方法尚且可行,但當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量較多,且需要進(jìn)行作圖、曲線擬合、最小二乘法等復(fù)雜運(yùn)算時(shí),傳統(tǒng)方法效率低、容易出錯(cuò)的特點(diǎn)就顯現(xiàn)出來了。因此,尋找一種快捷、高效、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法就顯得尤為重要。

        隨著計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的快速普及,各種專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的可視化、跨平臺(tái)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)[5,6],它使用圖形化符號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的文本編程語言,具有界面友好、操作簡便、開發(fā)周期短等特點(diǎn),是一種功能強(qiáng)大的圖形化編程工具,被廣泛應(yīng)用于仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、通信、測量分析和數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域[7,8]。本文利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能,以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的聲速測定實(shí)驗(yàn)為例,設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),能輕松實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的幾種常用數(shù)據(jù)處理方法,如作圖法、逐差法、最小二乘法等,大大提高了數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確度。

        1 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        測量聲速的基本原理是利用聲速v、振動(dòng)頻率f和波長λ三者之間的關(guān)系得到聲速,即:v=fλ,其中f為聲速測量系統(tǒng)的諧振頻率,可由信號(hào)發(fā)生器直接讀取,因此,聲速測定實(shí)驗(yàn)的核心是波長λ的測量,實(shí)驗(yàn)室通常采用駐波法或相位法來測量。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)既可以對(duì)駐波法測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,也可以對(duì)相位法測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,下面以駐波法為例介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。

        1.1 駐波法測量波長的實(shí)驗(yàn)原理

        實(shí)驗(yàn)時(shí),激勵(lì)信號(hào)會(huì)使發(fā)射換能器中的壓電陶瓷產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),經(jīng)空氣傳播后形成聲波。聲波從發(fā)射換能器S1向接收換能器S2傳播,由于S1和S2的兩個(gè)端面相互平行,聲波到達(dá)接收端S2后會(huì)被垂直反射,于是聲波在兩個(gè)換能器之間來回反射并產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,當(dāng)接收端面與發(fā)射端面之間的距離正好等于半波長的整數(shù)倍時(shí),兩端面之間就會(huì)形成駐波。此時(shí)相鄰兩波節(jié)或波腹間的距離等于半個(gè)波長。由于聲波是縱波,形成的駐波波節(jié)處聲壓最大,此時(shí)示波器接收到的電信號(hào)也最強(qiáng),因此通過轉(zhuǎn)動(dòng)聲速測定儀上的手輪,改變S1和S2之間的距離,示波器上會(huì)出現(xiàn)振幅最大的正弦信號(hào),繼續(xù)改變兩者之間的距離,信號(hào)振幅會(huì)呈現(xiàn)周期性變化,測出任意兩個(gè)相鄰信號(hào)振幅極大值之間的距離即為半波長λ/2。

        1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率,使示波器上的信號(hào)振幅達(dá)到最大,緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,移動(dòng)換能器S2的位置,示波器上信號(hào)的振幅再次發(fā)生變化,移動(dòng)至振幅極大值處,讀取并記錄諧振頻率f=36 890 Hz;保持諧振頻率不變,沿同一方向移動(dòng)接收換能器S2至示波器上再次出現(xiàn)信號(hào)極大值,依次記錄接收換能器S2在信號(hào)振幅達(dá)到極大值時(shí)所在的位置xi,列出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

        表1 駐波法測聲速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

        2 基于LabVIEW的聲速測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

        LabVIEW的前面板是VI的用戶界面,為用戶提供了大量的輸入控件和顯示控件,通過多種輸入控件和顯示控件相互組合,可以使程序界面美觀,功能區(qū)域分布合理,且可操作性強(qiáng)。輸入控件是程序的輸入裝置,包含了數(shù)據(jù)輸入控件、搖桿開關(guān)、按鈕等,這些控件為VI的程序框圖提供數(shù)據(jù);顯示控件是程序的輸出裝置,包含了圖標(biāo)、數(shù)據(jù)顯示控件等,用來顯示程序框圖獲取和生成的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)前面板如圖1所示,左側(cè)部分為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入和圖形顯示界面,中間部分為系統(tǒng)操作及數(shù)據(jù)處理界面,右側(cè)部分為不確定度計(jì)算界面。

        圖1 程序前面板

        2.2 程序框圖的設(shè)計(jì)

        程序框圖是程序代碼的圖形化形式,包含了用于定義VI功能的圖形化源代碼,前面板創(chuàng)建完成后,就可以使用圖形化函數(shù)編寫源代碼來實(shí)現(xiàn)前面板上的功能。系統(tǒng)程序框圖包含一個(gè)While循環(huán)和一個(gè)有四個(gè)分支的事件結(jié)構(gòu),事件結(jié)構(gòu)的四個(gè)分支分別為數(shù)據(jù)輸入、作圖及逐差法處理分支、最小二乘法擬合分支、不確定度計(jì)算分支、程序結(jié)束分支,每個(gè)分支分別實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理功能,分支與分支之間通過移位寄存器和節(jié)點(diǎn)保持?jǐn)?shù)據(jù)流通。

        (1)數(shù)據(jù)輸入、作圖及逐差法處理分支。如圖2所示,實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)值控件后,點(diǎn)擊圖1的逐差法計(jì)算按鈕即可觸發(fā)本分支,輸入的數(shù)據(jù)將被保存在位置數(shù)組中,并按大小順序排列好,再利用波形圖控件作圖,得到實(shí)驗(yàn)曲線圖,如圖1所示。圖1中的水平搖桿開關(guān),對(duì)應(yīng)條件結(jié)構(gòu)函數(shù),可以根據(jù)測得的數(shù)據(jù)是駐波法還是相位法來選擇。借助LabVIEW軟件內(nèi)置的常用函數(shù),很容易就可以實(shí)現(xiàn)逐差法計(jì)算,進(jìn)一步利用算得的波長、諧振頻率和溫度的屬性節(jié)點(diǎn)value來實(shí)現(xiàn)對(duì)它們值的讀取,再把它們的值作為輸入變量連接至圖2中包含代碼的公式節(jié)點(diǎn)函數(shù),即可得到對(duì)應(yīng)溫度下的波速理論值[9]、逐差法波速和相對(duì)誤差。

        圖2 數(shù)據(jù)輸入、作圖及逐差法處理分支

        (2)最小二乘法擬合分支。如圖3所示,點(diǎn)擊圖1中的最小二乘法擬合按鈕即可觸發(fā)本分支。本分支中包含了LabVIEW自帶的曲線擬合子VI和用于計(jì)算的公式節(jié)點(diǎn)函數(shù)。曲線擬合子VI對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到斜率、殘差等,公式節(jié)點(diǎn)函數(shù)計(jì)算出擬合得到的波長、波速和相對(duì)誤差等。

        圖3 最小二乘法擬合分支

        (3)不確定度計(jì)算分支。如圖4所示,點(diǎn)擊圖1中的計(jì)算不確定度按鈕即可觸發(fā)本分支。分別對(duì)逐差法和擬合法處理得到的數(shù)據(jù)計(jì)算不確定度[10]。本分支中的運(yùn)算也可以使用公式節(jié)點(diǎn)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

        圖4 不確定度計(jì)算分支

        (4)程序結(jié)束分支。如圖5所示,在程序運(yùn)行的過程中,點(diǎn)擊圖1中的退出按鈕即可通過STOP函數(shù)終止程序運(yùn)行。

        圖5 程序結(jié)束分支

        3 程序運(yùn)行

        運(yùn)行聲速測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),將測得的振幅極大值位置、諧振頻率、溫度等數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng),點(diǎn)擊搖桿開關(guān),選擇駐波法,然后依次點(diǎn)擊逐差法計(jì)算、最小二乘法擬合、計(jì)算不確定度按鈕,即可得到計(jì)算結(jié)果,如圖1所示,同時(shí)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了測量值及不確定度有效數(shù)字的運(yùn)算規(guī)則,將計(jì)算過程中的中間量的有效數(shù)字位數(shù)多保留了一位,便于學(xué)生正確地對(duì)有效數(shù)字進(jìn)行取舍,同時(shí)也方便教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

        4 結(jié) 語

        本文以聲速測定實(shí)驗(yàn)為例,利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了一套聲速測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有界面友好、操作簡便、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn),而且可操作性強(qiáng),可以輕松實(shí)現(xiàn)作圖、逐差法、最小二乘法擬合、不確定度計(jì)算等復(fù)雜運(yùn)算,大大提高了課堂實(shí)驗(yàn)效率。在調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力方面具有非常重要的意義。

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