在物理實驗中引入通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實驗平臺的研究

秦艷芬 王洪濤 章國榮 賴莉飛 金淑華 金丹青

(寧波工程學院理學院,浙江寧波 315016)

在物理實驗中引入通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實驗平臺的研究

秦艷芬 王洪濤 章國榮 賴莉飛 金淑華 金丹青

(寧波工程學院理學院,浙江寧波 315016)

文章以集成霍爾傳感器特性研究實驗為例,介紹在物理實驗教學中引入通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實驗平臺的具體應用.實驗中所用設備都為傳統(tǒng)通用設備,實驗現(xiàn)象直接由計算機顯示,實驗數(shù)據(jù)導出為 Excel文檔,利于數(shù)據(jù)處理、分析.既保留了傳統(tǒng)儀器的所有功能,又增加了現(xiàn)代測量手段的自動采集、顯示、分析功能.培養(yǎng)學生把多種物理知識交叉使用來解決實際問題.

物理實驗;通用數(shù)據(jù)采集器;自組實驗平臺

1 引言

隨著科學技術的快速發(fā)展和現(xiàn)代物理實驗技術在現(xiàn)代社會中的廣泛應用,使用現(xiàn)代測量手段、先進的實驗裝置,是社會對物理實驗教學提出的新要求.計算機技術應用于物理實驗課教學,已是現(xiàn)代物理實驗教學發(fā)展的方向之一.前些年,國內一些用計算機進行控制、采集、記錄、分析的物理實驗儀器也應運而生,如光柵光譜儀等,并在許多高校用于教學中.這些儀器的特點是實驗的軟硬件都由計算機控制,實驗過程由鼠標控制完成.實驗數(shù)據(jù)采集手段是先進了,但這種一體化的實驗,學生既觀察不到物理現(xiàn)象的發(fā)生,也不能操作儀器,學生只能從計算機顯示器上觀察到結果,作為實驗教學大大地削弱了學生的動手能力和實驗觀察能力的訓練.

將通用數(shù)據(jù)采集器引入物理實驗,由計算機、通用數(shù)據(jù)采集器、傳統(tǒng)儀器并結合現(xiàn)代傳感器技術構成,可有效地解決現(xiàn)代測量手段與增強動手能力和實驗觀察能力這一矛盾.本文以通用數(shù)據(jù)采集器在集成霍耳傳感器特性研究應用中的內容之一為例,介紹自組實驗平臺搭建、實驗電路設計、數(shù)據(jù)采集及分析的全過程.

2 實驗介紹

2.1 儀器介紹

1)通用數(shù)據(jù)采集器

在實驗中我們采用的是國產(chǎn)Lab Corder數(shù)據(jù)采集分析控制儀,A/D采集卡設置為:雙端輸入;雙極性;量程±5V.該儀器同時采集的兩個通道分別設為X通道(CH1)和 Y通道(CH2).

2)集成霍耳傳感器

SS495A型集成霍耳傳感器(線性測量范圍0～67mT,靈敏度31.25V/T)由霍耳元件,放大器和薄膜電阻剩余電壓補償器組成(圖1).工作電壓VS=5V,在磁感應強度為零時,輸出電壓為Uo≈2.5V伏.它的輸出電壓U與磁感應強度B的關系式為式(1),關系曲線如圖2所示.

圖1 SS495A型集成霍耳傳感器

圖2 輸出電壓與磁感應強度的關系圖

式中,U為集成霍耳傳感器輸出電壓;K為該傳感器的靈敏度.

2.2 實驗內容

本實驗是測量SS495A型集成霍耳傳感器霍耳電壓與所在磁場磁感應強度的關系.實驗需要提供產(chǎn)生霍爾效應的磁場;提供霍耳傳感器的工作電壓;同時為了使得所測量霍耳傳感器輸出電壓即為霍耳電壓,則必須做到霍耳傳感器在工作電壓VS=5V,磁感應強度為零時,霍耳傳感器輸出電壓為Uo=0,這樣U-Uo=UH.這需做補償電路使得原Uo≈2.5V被補償.

分析上述實驗要求,自組實驗平臺需要:由通電螺線管提供產(chǎn)生磁場,由直流恒流源提供勵磁電流;由直流穩(wěn)壓源提供霍耳傳感器的工作電壓;直流分壓器提供補償電路.

實驗電路設計如圖3.實驗中對霍耳電壓的測量采集可直接進采集器,實驗中直流分壓盒的中點即為霍耳電壓的低電位端,OU T為高電位端.對磁場磁感應強度的采集是通過對勵磁電流的采集,而數(shù)據(jù)采集器只能對電壓采集,所以這里對勵磁電流的采集是通過電流上電阻兩端的電壓的采集而得到(電流-電壓轉換).

圖3 霍耳電壓UH與磁感應強度B關系測量電路

2.3 采集結果及分析

實驗中數(shù)據(jù)采集器采樣率為10次/s,橫、縱坐標顯示量分別為勵磁電流和霍耳電壓,采集的結果如圖4所示.

圖4 數(shù)據(jù)采集器采集結果

將采集的數(shù)據(jù)導出(有導出功能),導出數(shù)據(jù)即為excel文檔,數(shù)據(jù)處理分析非常方便.直接由I=U/R式計算出X通道采集量所對應的勵磁電流值;Y軸對應霍耳電壓值;已知當 IM=0.1A時,B=1.4366mT,通過計算可得該實驗勵磁電流下所對應的磁場磁感應強度B值;根據(jù)計算結果繪出傳感器霍耳電壓與所在磁場磁感應強度的關系特性曲線(圖5);通過最小二乘法線性擬合得到U=31.26B-0.00,相關系數(shù)為0.9999,由此得到霍耳傳感器靈敏度為 31.26V/T,與參考值31.25V/T比較,百分誤差為0.04%;所得特性曲線與參考圖(圖2)比較有很好的符合.

圖5 霍耳電壓UH與磁感應強度B關系

3 結論

用通用數(shù)據(jù)采集器搭建的自組實驗平臺完成“集成霍耳傳感器特性研究實驗”,實驗中所用設備都為傳統(tǒng)通用設備.實驗現(xiàn)象直接由計算機顯示,實驗數(shù)據(jù)導出為excel文檔,利于數(shù)據(jù)處理、分析.既保留了傳統(tǒng)儀器的所有功能,又增加了現(xiàn)代測量手段的自動采集、顯示、分析功能,較傳統(tǒng)實驗方式靈活方便,且接近現(xiàn)代科研生產(chǎn)需要,培養(yǎng)學生把多種物理知識交叉使用來解決實際問題的動手能力.

實驗課上測試儀器由學生自搭完成,學生用自搭的實驗儀器完成實驗中的測量,既培養(yǎng)了學生的動手能力,又訓練學生的科學實驗思維,同時增加了知識技能的通用性和實用性,也提高了學生的學習興趣,受到學生和教師的歡迎.

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STUDY ON BUILDING SELF-PREPARED EXPERIMENT PLATFORM IN PHYSICS EXPERIMENT BY INTRODUCING OF THE UNIVERSAL DATA ACQUISITION

Qin Yanfen Wang Hongtao Zhang Guorong Lai Lifei Jin Shuhua Jin Danqing
(College of Science,Ningbo University of Technology,Ningbo,Zhejiang 315016)

In this work,we took the study of integrated Hall sensor experiments as an example.We presented the introduction of the universal data acquisition to build self-prepared experiment platform for specific application in physics experiment teaching,whose equipments were all the traditional general-purpose equipments.By used the system,we can obtain that experimental phenomenon can be directly displayed on the computer and large amount of experiment data can be collected and exported as excel format document.The system not only can retain all the functionality of traditional equipments,but also increase the means of modern measurement such as the automatic acquisition,display and analysis functions.This system can also train students to use a variety of physical knowledge to solve practical problems.

physical experiment;universal data acquisition;self-prepared experiment platform

2011-01-27)

此項目為浙江省2010年度教育規(guī)劃課題.課題編號為SCG415

秦艷芬,1959年出生,女,遼寧遼陽,高級實驗師,本科,物理實驗教學.