夏 恒, 王銘熙, 黃 鑫, 王 劍

(內(nèi)江師范學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院, 四川 內(nèi)江 641100)

0 引言

介電常數(shù)的測(cè)量是大學(xué)物理中常見的實(shí)驗(yàn)之一,旨在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新精神.隨著現(xiàn)代信息的飛速發(fā)展,實(shí)驗(yàn)教學(xué)也逐漸信息化[1].《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》明確提到,為了使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息科技高度融合,需開展本科高校的示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作[2].虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖不能代替真實(shí)的實(shí)踐操作,但它一方面能最大程度上模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程,使學(xué)生起到一個(gè)提前預(yù)習(xí)并了解實(shí)驗(yàn)原理的效果;另一方面可以不受客觀環(huán)境因素的影響,達(dá)到可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的目的.

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中,“介電常數(shù)”的測(cè)量是較為復(fù)雜的一類實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)裝置需要實(shí)驗(yàn)主機(jī)、試驗(yàn)樣品、壓緊裝置、電容調(diào)節(jié)旋鈕等部分組成.在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,由于傳統(tǒng)儀器使用的復(fù)雜性,導(dǎo)致在校內(nèi)調(diào)研中,很多同學(xué)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的操作是停留在得出數(shù)據(jù)即可的狀態(tài),其中的原理并沒(méi)有很好地掌握.為了解決此問(wèn)題,該測(cè)量系統(tǒng)以基本原理為架構(gòu),在教學(xué)方法上進(jìn)行創(chuàng)新,不僅構(gòu)建了電橋電路的程序框圖,有效解決了學(xué)生對(duì)原理模糊、實(shí)驗(yàn)方法不清晰等問(wèn)題,還設(shè)計(jì)出了不同板塊,簡(jiǎn)捷易操作的仿真實(shí)驗(yàn)前面板,滿足了學(xué)生通過(guò)虛擬仿真界面[3]完成數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)調(diào)控、結(jié)果計(jì)算、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析的整個(gè)測(cè)量過(guò)程的需求.相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),該系統(tǒng)達(dá)到了使學(xué)生在“做中學(xué)”的目的,避免了由于傳統(tǒng)儀器操作步驟的復(fù)雜性而導(dǎo)致學(xué)生理解難度增大的問(wèn)題;該程序運(yùn)行時(shí)界面簡(jiǎn)潔,精度達(dá)標(biāo),不僅在一定程度上替代了實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際動(dòng)手操作,還起到一定的預(yù)習(xí)作用.鑒于此,本文對(duì)基于LabVIEW虛擬仿真平臺(tái)的介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,以起到輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),并對(duì)類似的電學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真項(xiàng)目的開發(fā)和使用提供一定的借鑒作用.

1 系統(tǒng)原理

介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)利用電橋法[4]來(lái)測(cè)量固體電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr[5-6],原理如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

將整個(gè)電橋[7]和Cx令為Rm;C2和R2令為Rn,根據(jù)基爾霍夫定律和歐姆定律得到電橋平衡方程為:

(1)

(2)

(3)

將式(2)和(3)代入到式(1)中便可得到式(4),即IG=0時(shí)的普通表達(dá)式:

(4)

式中:R2、R3、R4、Rx、C2分別為實(shí)驗(yàn)原理圖(見圖1)中各個(gè)電阻的阻值大小和平行極板的電容值;f為所用交流電頻率大小.

依據(jù)《基于LabVIEW的相對(duì)介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)》中對(duì)電容消除邊界效應(yīng)的方法[10-11]可以得出:

C串=Cx2-Cx1+Cx,

式中:Cx1為電極間為空氣介質(zhì)時(shí)測(cè)得的電容εr值;Cx2電極間放入介質(zhì)時(shí)測(cè)得的電容值.

最終整理得到固體介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù):

根據(jù)式(5)可求得相對(duì)介電常數(shù)εr的值.

2 面板設(shè)計(jì)

LabVIEW編程語(yǔ)言作為可視化編程語(yǔ)言,程序設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮控制面板和程序框圖兩部分.根據(jù)介電常數(shù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量原理步驟,控制面板中展示有實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)圖、參數(shù)設(shè)置區(qū)、電橋控制區(qū)、數(shù)據(jù)生成區(qū)和圖表區(qū)五個(gè)不同的板塊.程序前面板如圖2所示.

圖2 程序前面板設(shè)計(jì)

LabVIEW編程語(yǔ)言中,常用的數(shù)據(jù)輸入可以使用不同的數(shù)值控件,如數(shù)值輸入控件、量表、轉(zhuǎn)盤、滾動(dòng)條等.雖然外觀各不相同,但所表示的數(shù)據(jù)類型是相同的.根據(jù)程序設(shè)計(jì)需要,在參數(shù)設(shè)置區(qū)的面板中放置了六個(gè)數(shù)值輸入控件,分別負(fù)責(zé)檢流計(jì)波動(dòng)區(qū)域值、電極間為空氣介質(zhì)時(shí)電容Cx1的值、放入介質(zhì)時(shí)測(cè)得電容為Cx2的值、兩極板間距D(mm)、樣品厚度t(mm)、樣品面積S(mm2).在學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)之前,需要將所測(cè)量物體的各個(gè)參數(shù)值輸入到該區(qū)域中,以便于讓程序識(shí)別,并且在該區(qū)域中嵌入了自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng),用于判斷輸入的參數(shù)是否合理.參數(shù)設(shè)置面板如圖3所示.

圖3 參數(shù)設(shè)置區(qū)面板

由于該程序是以交流電橋?yàn)槔碚摶A(chǔ)而設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng),所以在測(cè)量環(huán)節(jié)中需要滿足電橋平衡的條件.學(xué)生在上一環(huán)節(jié)中輸入合理的參數(shù)值之后便會(huì)進(jìn)入到電橋控制區(qū).當(dāng)電橋達(dá)到平衡時(shí),檢流計(jì)所在支路無(wú)電流通過(guò),即IG=0(見式(4)).為了將電橋平衡這個(gè)抽象的過(guò)程更加具體化,該面板中加入了靈敏檢流計(jì),讓學(xué)生能夠清楚地看到電橋平衡的過(guò)程.電橋控制面板如圖4所示.

圖4 電橋控制區(qū)面板

在每次測(cè)量完成之后,點(diǎn)擊該區(qū)域中的記錄按鈕,生成的結(jié)果便會(huì)自動(dòng)記錄在數(shù)據(jù)生成區(qū)中,該區(qū)域可以將所得結(jié)果緩存在面板(見圖5),也可以將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到EXCEL表格中進(jìn)行詳細(xì)分析.考慮到該仿真測(cè)試儀在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)需要有大量數(shù)據(jù)讀取,所以加入了圖表區(qū)(見圖6)采用波形圖控件來(lái)顯示數(shù)據(jù)波形.波形圖表控件包括X軸和Y軸,其中X軸表示試驗(yàn)次數(shù),Y軸表示所測(cè)結(jié)果的值.

圖5 數(shù)據(jù)生成區(qū)面板

圖6 圖表區(qū)面板

3 程序特點(diǎn)

該測(cè)量系統(tǒng)依托“G”語(yǔ)言編寫完成.在程序框圖中加入了多個(gè)智能檢測(cè)系統(tǒng)以及調(diào)節(jié)系統(tǒng),以便應(yīng)對(duì)在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中由于學(xué)生的操作失誤而導(dǎo)致最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤,甚至造成實(shí)驗(yàn)室安全事故.此外,還可以提高系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境的適配度而模擬更真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

據(jù)調(diào)查,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中會(huì)因?yàn)閷?duì)實(shí)驗(yàn)原理不清楚而遺漏操作步驟,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終出現(xiàn)錯(cuò)誤.為了使學(xué)生更好地理解該實(shí)驗(yàn)的原理以及各個(gè)字母符號(hào)所代表的物理含義和取值,系統(tǒng)設(shè)置了“實(shí)驗(yàn)陷阱”來(lái)模擬學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中的易錯(cuò)點(diǎn),并會(huì)全程“監(jiān)管”學(xué)生的操作步驟.一旦發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)步驟出現(xiàn)錯(cuò)誤便會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒學(xué)生,同時(shí)終止實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,避免了學(xué)生在不清楚實(shí)驗(yàn)原理的情況的下進(jìn)行操作.模式類似于闖關(guān)游戲,學(xué)生須認(rèn)真并且正確地完成上一關(guān)的內(nèi)容,然后才能順利進(jìn)入到下一關(guān),最終得到結(jié)果.程序框圖如圖7順序監(jiān)管系統(tǒng)程序所示.

圖7 順序監(jiān)管系統(tǒng)程序

開始實(shí)驗(yàn)時(shí),首先會(huì)在參數(shù)設(shè)置區(qū)進(jìn)行參數(shù)的輸入,系統(tǒng)會(huì)立即判斷輸入的參數(shù)值是否符合本實(shí)驗(yàn)的要求,并顯示“YES”或“NO”給予提示.這有效避免了學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作中由于輸入錯(cuò)誤的參數(shù)值而導(dǎo)致在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中一步錯(cuò)、步步錯(cuò).

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為了解決學(xué)生不了解電橋平衡原理的問(wèn)題,在程序的顯示面板中嵌入了動(dòng)態(tài)檢流計(jì),程序框圖如圖8所示.

圖 8 智能檢流計(jì)程序

這可以讓學(xué)生在參數(shù)設(shè)置區(qū)中自主設(shè)置檢流計(jì)死區(qū),從而控制靈敏檢流計(jì)的指針達(dá)到平衡的難易程度.當(dāng)數(shù)值調(diào)控完畢以后,電橋控制區(qū)中的安全指示燈會(huì)依據(jù)系統(tǒng)的自動(dòng)判別功能進(jìn)行識(shí)別.如果在規(guī)定的死區(qū)以內(nèi),安全指示燈則會(huì)顯示綠色表示通過(guò),否則便會(huì)顯示紅色予以警告.這有助于更加直觀地看到電橋平衡的過(guò)程,跳出單純的理論層面.

由于該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果計(jì)算與使用的交流電頻率有關(guān)[12],如式(1)所示,又考慮到我國(guó)不同地區(qū)由于交流電頻率的不同,基本在50～60波動(dòng).所以在程序中加入了可調(diào)節(jié)交流電頻率的設(shè)置——環(huán)境適配系統(tǒng),用來(lái)提高該程序模擬程度,以最大程度還原更多地區(qū)的實(shí)驗(yàn)室情況.為了方便學(xué)生在操作過(guò)程中交流電頻率的調(diào)節(jié),頻率變化圖會(huì)在操作面板中的“圖表區(qū)”得以顯示.

4 系統(tǒng)應(yīng)用

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,設(shè)置好檢流計(jì)死區(qū)以后,對(duì)同一種材料分別進(jìn)行了三次測(cè)量.測(cè)量時(shí),設(shè)置極板間距為5 mm、Cx1=16.57pF、Cx2=14.86pF、樣品厚度為4.38 mm、樣品面積為0.001 267 mm2將系統(tǒng)所需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)正確錄入到參數(shù)設(shè)置區(qū)中.測(cè)量結(jié)果的對(duì)比值是線下使用實(shí)驗(yàn)室介電常數(shù)測(cè)試儀測(cè)得的結(jié)果.我們選用了一種經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)儀器測(cè)量三次后的測(cè)量值分別為1.43、1.38、1.41的樣品進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)該系統(tǒng)的三次測(cè)量,其結(jié)果分別為1.49、1.46、1.44,與標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量值相比,相對(duì)誤差分別為4.02%、5.48%、2.08%.

該系統(tǒng)在物體尺寸測(cè)量與參數(shù)收集方面的方法趨于理想化,若考慮邊界效應(yīng)以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境所處的溫度情況后,可以增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度.對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行分析,該系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與線下使用介電常數(shù)測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果誤差均小于6%,說(shuō)明此仿真實(shí)驗(yàn)誤差較小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的精確度,基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的使用級(jí)別.

據(jù)統(tǒng)計(jì)有91%的同學(xué)在應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及傳統(tǒng)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后,認(rèn)為該系統(tǒng)可以更好地讓他們掌握實(shí)驗(yàn)原理,使整個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟邏輯更為清晰.

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)使用LabVIEW編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)了仿真介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)[13],程序通過(guò)仿真軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量.該測(cè)量系統(tǒng)綜合了交流電橋、智能識(shí)別系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析等元素,解決了學(xué)生由于對(duì)實(shí)驗(yàn)原理不清楚而造成在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)操作錯(cuò)誤最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤,克服了學(xué)習(xí)障礙,提高了實(shí)驗(yàn)成功率并鞏固了學(xué)習(xí)效果.

在實(shí)驗(yàn)操作中依托“順序監(jiān)管系統(tǒng)”和“自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)”的智能化,可以有效避免學(xué)生在不清楚實(shí)驗(yàn)原理的情況下盲目操作,起到一定的預(yù)習(xí)作用.這在較大程度上的避免了在線下實(shí)驗(yàn)由于操作失誤,接線柱連接錯(cuò)誤而可能帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)室安全問(wèn)題.學(xué)生通過(guò)動(dòng)態(tài)的檢流計(jì)的變化,手動(dòng)調(diào)控電橋達(dá)到平衡的難易程度,可以更加深刻理解電橋平衡的原理,將抽象的知識(shí)具體化.充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代信息科技融合的特點(diǎn).

據(jù)調(diào)研,學(xué)生在使用該系統(tǒng)進(jìn)行《介電常數(shù)的測(cè)量》實(shí)驗(yàn)以后,有91%的學(xué)生認(rèn)為相比于使用傳統(tǒng)儀器,該系統(tǒng)更能直觀地反映實(shí)驗(yàn)原理,讓學(xué)生理解得更加透徹;在所得結(jié)果中,相較于傳統(tǒng)儀器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差均在6%以下,符合實(shí)驗(yàn)室使用標(biāo)準(zhǔn).

考慮到該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)思路和技術(shù)方案上能夠起到較好的教學(xué)作用,成熟程度比較高;對(duì)運(yùn)行原理進(jìn)行更加精確的計(jì)算后,該系統(tǒng)社會(huì)效益也是巨大的,可以應(yīng)用于民用,工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域.