基于虛擬儀器技術(shù)的電流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)

郝 麗，董甲瑞

（清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

基于虛擬儀器技術(shù)的電流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)

郝 麗，董甲瑞

（清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

為了提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率，研發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的電流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件上采用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)電壓的測(cè)量，在軟件方面利用LabVIEW編寫了針對(duì)電流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用程序。新的測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)潔易用，可以由輸入的等位點(diǎn)的坐標(biāo)信息自動(dòng)完成等位線的繪制，在一定程度上減少了學(xué)生重復(fù)性的工作。

電磁場(chǎng)；電流場(chǎng)；靜電場(chǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)；虛擬儀器技術(shù)；LabVIEW

在“電磁場(chǎng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，等位線和電流線的計(jì)算和測(cè)量是恒定電流場(chǎng)的重要內(nèi)容。由于直接測(cè)量靜電場(chǎng)的電位分布是很困難的，所以一般是利用靜電比擬的方法，用恒定電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)［1－7］。2010年，清華大學(xué)電機(jī)系對(duì)原來使用的鐵板實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改造，制作了L形水槽作為電流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的被測(cè)對(duì)象。在此實(shí)驗(yàn)裝置上，學(xué)生可以完成傳統(tǒng)的匯流條轉(zhuǎn)角處電流場(chǎng)測(cè)量，還可以完成靜電場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)［7］。

學(xué)生在做此類實(shí)驗(yàn)時(shí)，還是采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方案，即為了測(cè)量一條等位線，需要利用電壓表測(cè)量電位，找到等位點(diǎn)后記下該點(diǎn)的坐標(biāo)，然后在坐標(biāo)紙上手工描出這些點(diǎn)，最后將這些點(diǎn)連成線。對(duì)于此類實(shí)驗(yàn)，測(cè)量點(diǎn)多，且是重復(fù)性工作，學(xué)生普遍覺得枯燥。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)輔助傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已有很多嘗試［8－12］，例如文獻(xiàn)［8］是使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用Matlab進(jìn)行軟件界面的開發(fā)。

本文利用虛擬儀器技術(shù)對(duì)原來的電流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案進(jìn)行了改進(jìn)。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器，目前被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。虛擬儀器技術(shù)最大的特點(diǎn)是與計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來了，可以充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。目前開發(fā)虛擬儀器常用的軟件工具是NI公司研發(fā)的LabVIEW。

電流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)包括硬件和軟件2部分。

1 硬件和軟件

該系統(tǒng)的硬件部分如圖1所示，有L形水槽、穩(wěn)壓電源、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)箱。L形水槽是被測(cè)對(duì)象，穩(wěn)壓電源提供實(shí)驗(yàn)時(shí)所需的輸入電壓。利用LabVIEW調(diào)用數(shù)據(jù)采集函數(shù)即可控制數(shù)據(jù)采集卡，最終實(shí)現(xiàn)電壓的測(cè)量。

數(shù)據(jù)采集卡是從NI公司購買的，插在計(jì)算機(jī)的PCI插槽上。為了電路連接方便，將數(shù)據(jù)采集卡的端子用一根數(shù)據(jù)線引出來，連接到數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)箱上。在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，將被測(cè)電壓連接到數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)箱上的模入端子就可以了。

圖1 L形電流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置

軟件是利用LabVIEW2011編程實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)“L形電流場(chǎng)測(cè)量”的主界面如圖2所示，實(shí)驗(yàn)“同軸電纜的靜電比擬”的主界面如圖3所示。主界面分為兩層，第一層為“測(cè)量”，第二層為“仿真計(jì)算結(jié)果”?！胺抡嬗?jì)算結(jié)果”展示了對(duì)于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真建模分析所得的結(jié)果，有等位線云圖和電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)“L形電流場(chǎng)測(cè)量”的主界面

下文以實(shí)驗(yàn)“L形電流場(chǎng)測(cè)量”為例來介紹第一層“測(cè)量”部分的功能。

2 “L形電流場(chǎng)測(cè)量”實(shí)驗(yàn)

如圖2所示，在“L形電流場(chǎng)測(cè)量”界面有一個(gè)名稱為“等位線”的圖表，在其上面已經(jīng)顯示了一條白色的L形閉合線，它表示的是L形電流場(chǎng)的邊界。在界面的右側(cè)，共有5個(gè)“開始測(cè)量”的按鈕，其中1V、2 V、3V和4V為必須完成的測(cè)量任務(wù)，而右下方的“開始測(cè)量”按鈕為興趣選作，所測(cè)量的等位線的電位大小由其上方的控件“輸入要測(cè)的電壓值”所決定。以1V為例來說明完成一條等位線測(cè)量的過程。

圖3 實(shí)驗(yàn)“同軸電纜的靜電比擬”的主界面

點(diǎn)擊“1V開始測(cè)量”按鈕，彈出等位線測(cè)量界面如圖4所示。在該界面的左上角顯示的是當(dāng)前要尋找的點(diǎn)的電位的大小，目前為1V。在界面的中間是一個(gè)電壓表，表盤指針指向當(dāng)前的電壓測(cè)量值，同時(shí)在電壓表右側(cè)上方給出當(dāng)前所測(cè)電壓的具體數(shù)值。在電壓表的右側(cè)下方有一個(gè)指示燈，當(dāng)測(cè)量電壓的大小等于目標(biāo)電壓的大小時(shí)，該指示燈亮，否則指示燈處于暗的狀態(tài)。

用表筆在水槽中滑動(dòng)，當(dāng)界面上的指示燈亮?xí)r，表明當(dāng)前的測(cè)量點(diǎn)是要尋找的一個(gè)等位點(diǎn)，這時(shí)可以在界面的左下方控件中輸入當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)。該控件為一個(gè)二維數(shù)組，其左上角區(qū)為此二維數(shù)組的索引，表示的是當(dāng)前控件所顯示的左上角的元素在整個(gè)數(shù)組中的索引值。

圖4 等位線測(cè)量界面

將等位點(diǎn)的坐標(biāo)信息輸入完畢后，點(diǎn)擊界面右上方的STOP按鈕，則退出“等位線測(cè)量”界面，回到了“L形電流場(chǎng)測(cè)量”的主界面，這時(shí)在圖表“等位線”中已經(jīng)出現(xiàn)了1V的等位線，同時(shí)在相應(yīng)的文件夾中已經(jīng)輸出了名稱為Volt1.xls的文件，其中保存了電壓為1V時(shí)所輸入的各個(gè)等位點(diǎn)的坐標(biāo)。相同的操作可以完成2V、3V和4V的等位線的繪制。當(dāng)所有的等位線繪制完畢后，點(diǎn)擊主界面右上方的“完成”按鈕，則完成測(cè)量，同時(shí)程序?qū)⒗L制好的等位線圖保存在相應(yīng)的文件夾中。

3 “電纜的靜電比擬”實(shí)驗(yàn)

在“電纜的靜電比擬”實(shí)驗(yàn)中，等位線的測(cè)量過程與“L形電流場(chǎng)測(cè)量”相同，這里不再贅述?！半娎|的靜電比擬”實(shí)驗(yàn)中特殊的地方是在測(cè)量結(jié)果中增加了擬合的功能。

由理論分析可知，電纜的等位線為圓，而如果每條等位線僅測(cè)量5個(gè)等位點(diǎn)，依次用直線將這個(gè)5個(gè)點(diǎn)連接，這樣得到的圓形圖形質(zhì)量很差。所以利用等位線為圓的理論分析結(jié)果，結(jié)合所測(cè)到的5個(gè)等位點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過計(jì)算可以得到等位線的等效半徑和圓心，然后給出擬合后的等位線結(jié)果。

4 結(jié)束語

新的測(cè)量系統(tǒng)利用LabVIEW編制出簡(jiǎn)潔、易用的界面，實(shí)現(xiàn)了電壓的測(cè)量、數(shù)據(jù)分析處理（數(shù)據(jù)擬合）以及結(jié)果顯示（畫出等位線）等功能，使測(cè)量變得更加方便。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，由輸入的等位點(diǎn)的坐標(biāo)信息可以自動(dòng)完成等位線的繪制，在一定程度上減少了學(xué)生畫表格、描點(diǎn)連線等枯燥的重復(fù)性工作，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

該系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)來輔助電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一次嘗試。學(xué)生在本科階段，通過親手操作使用此系統(tǒng)，會(huì)對(duì)虛擬儀器技術(shù)建立起直觀的認(rèn)識(shí)，這樣的實(shí)踐經(jīng)歷對(duì)學(xué)生將來的學(xué)習(xí)和科研也會(huì)起到積極的作用。

（References）

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［7］郝麗，董甲瑞，鄒軍.“靜電場(chǎng)”模擬和“電流場(chǎng)”實(shí)驗(yàn)裝置研發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24（7）：37－38.

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［9］楊風(fēng)開.DCC－Ⅱ型電磁場(chǎng)綜合實(shí)驗(yàn)裝置的研制［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（7）：37－38.

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Research and development of the measurement system for current field based on virtual instrumentation technology

Hao Li，Dong Jiarui
（State Key Laboratory of Power Systems，Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

To improve the experiment efficiency of students，a measurement system for current field is developed based on the virtual instrumentation technology.In this system，the data acquisition card is used to measure voltage，experimental applications for the current field are developed using LabVIEW.The new measurement system is simple and easy to use，and volt lines can be automatic drawn by inputting the coordinate information，and the repeated work of students is reduced.

electromagnetic field；current field；electrostatic field virtual experiment；virtual instrumentation technology；LabVIEW

TP393

A

1002－4956（2014）1－0101－03

2013－05－13

郝麗（1981—），女，山西運(yùn)城，工學(xué)碩士，工程師，主要從事電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)及其課程建設(shè)工作.

E－mail：haol02＠m(xù)ails.tsinghua.edu.cn