基于NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器的弗蘭克-赫茲實驗系統(tǒng)

廖德駒，沈 韓，崔新圖，馮饒慧，方奕忠，林志森

(中山大學 物理學院，廣東 廣州 510275)

基于NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器的弗蘭克-赫茲實驗系統(tǒng)

廖德駒，沈 韓，崔新圖，馮饒慧，方奕忠，林志森

(中山大學 物理學院，廣東 廣州 510275)

基于NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器，采用LabVIEW設計了弗蘭克-赫茲實驗系統(tǒng). 該系統(tǒng)可定量、實時記錄并直觀顯示陽極電流隨加速極電壓的變化過程，在同一坐標界面中顯示不同參量的多條實驗曲線，并實現(xiàn)波峰、波谷對應電壓電流及激發(fā)電位等數(shù)據(jù)處理功能. 用該系統(tǒng)測量了充氬弗蘭克-赫茲管陽極電流隨加速電壓關系曲線及氬原子第一激發(fā)電位，實驗結果與商用儀器測量的結果吻合.

弗蘭克-赫茲實驗；第一激發(fā)電位；NI myDAQ；LabVIEW

弗蘭克-赫茲實驗為大學物理實驗課的重要實驗[1-3]，大部分高等院校物理實驗都開設弗蘭克-赫茲實驗. 實驗教學設備和測試方法有多種形式[4-6]，主要的實驗管有汞管和氬管，主要內容為測量第一激發(fā)電位，改變加速極電壓有手動和自動掃描2種方式，顯示和記錄數(shù)據(jù)有X-Y函數(shù)記錄儀、實驗儀自身內存、示波器和計算機采集等. 基于LabVIEW的虛擬儀器技術是測控技術發(fā)展的重要方向，是實驗教學的重要內容之一，將該技術與弗蘭克-赫茲實驗系統(tǒng)相結合應用于實驗教學有重要意義. 本文基于美國國家儀器公司(簡稱NI)的NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器[7-10]，用LabVIEW設計了弗蘭克-赫茲實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量方便靈活，實時直觀，擴展性好. 使用該系統(tǒng)測量了充氬弗蘭克-赫茲管的陽極電流隨加速極電壓變化曲線，對峰值電壓線性擬合得氬原子第一激發(fā)電位[11-12]，實驗結果與商用教學儀器測量結果吻合.

1 弗蘭克-赫茲實驗系統(tǒng)

1.1 實驗系統(tǒng)硬件結構

實驗系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，核心是1臺NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器，有2個A/D轉換精度達到16位的差分式模擬信號輸入通道CH0和CH1，分別采集電壓UI-V和UR2，其中UI-V與F-H管反射極電流IA成正比，UR2與加速極電壓UG2K成正比. 電壓源E1，E2，E3和E4相互隔離，可分別輸出0～6 V，0～5 V，0～100 V和0～15 V電壓，作為弗蘭克-赫茲實驗管燈絲電壓UF、第一柵極電壓UG1K、第二柵極電壓UG2K和反射極電壓UG2A輸入.

圖1 實驗系統(tǒng)原理框圖

UI-V是陽極電流IA通過I-V轉換電路得到的電壓信號，由NI myDAQ通道CH0采集. 加速極電壓UG2K=UG2A-UKA，IA采集過程中UG2A是常量. 調節(jié)多圈線性精密電位器R2，使UKA=10UR2.UR2取值范圍0～+10 V,由NI myDAQ通道CH1采集.

1.2 實驗系統(tǒng)軟件結構

基于LabVIEW的測控軟件包括實驗介紹、參量設定、弗蘭克-赫茲數(shù)據(jù)采集、IA-UG2K曲線實時顯示、數(shù)據(jù)記錄及保存和數(shù)據(jù)分析等主要功能，其中弗蘭克-赫茲數(shù)據(jù)采集功能的前面板如圖2所示. 參量設定模塊可對燈絲、第一柵極和反射極電壓值進行設定，數(shù)據(jù)采集模塊可對UI-V和UR2值進行測量[12-14]，IA-UG2K關系曲線模塊把UI-V和UR2值分別還原為電流IA和電壓UG2K后實時顯示，數(shù)據(jù)記錄及保存模快把IA，UG2K值和實驗參量寫入用戶文件. 數(shù)據(jù)處理主要完成：對UI-V按照標定系數(shù)轉換為電流IA；對UR2值，按照UKA=10UR2和UG2K=UG2A-UKA計算得到加速極電壓UG2K值；畫IA-UG2K曲線；最后計算氬原子第一激發(fā)電位，列出波峰及波谷值和波峰及波谷個數(shù).

圖2 實驗系統(tǒng)軟件前面板圖

2 實驗結果

用上述實驗系統(tǒng)測量了充氬氣弗蘭克-赫茲管在燈絲電壓UF=3.0 V、第一柵極電壓UG1K=1.5 V和反射極電壓UG2A=9.0 V時的IA-UG2K實時曲線，觀察6個波峰和6個波谷，如圖3所示. 對波峰電壓值用最小二乘法擬合[11，15]，得氬原子第一激發(fā)電位(11.7±0.2) V，與公認值11.6 V相對偏差為0.86%，擬合相關系數(shù)為0.999 5；同時給出6個波峰和波谷值，結果如圖3所示. 結果與理論相符.

圖3 實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

3 討論與分析

為了和商用的弗蘭克-赫茲實驗儀器測量結果進行對比，采用ZKY-FH-4智能弗蘭克-赫茲實驗系統(tǒng)，在相同實驗參量下，測量了同一弗蘭克-赫茲管的IA-UG2K曲線，如圖4所示.

圖4 實驗系統(tǒng)和商用教學儀器測量結果對比

對曲線波峰電壓值線性擬合，擬合方程分別為UG2K=8.83+11.59N和UG2K=7.97+11.58N，可得氬原子第一激發(fā)電位均為(11.6±0.2) V，相關系數(shù)分別為0.999 5和0.999 6. 可見該實驗系統(tǒng)和商用教學儀器測量的結果符合得很好.

4 結 論

在LabVIEW平臺，利用NI myDAQ的2個差分輸入通道同時測量，直觀、定量和實時觀測陽極電流隨加速極電壓的變化曲線，并得到原子第一激發(fā)電位. 各參量準確，重復性好，與現(xiàn)有商用系統(tǒng)測量結果相符合，同時將基于LabVIEW的虛擬儀器實驗技術融合進教學中，效果良好.

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[責任編輯：任德香]

Franck-Hertz experiment using NI myDAQ data acquisitor

LIAO De-ju, SHEN Han, CUI Xin-tu, FENG Rao-hui, FANG Yi-zhong, LIN Zhi-sen

(School of Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

An experimental system for Franck-Hertz experiment was designed base on NI myDAQ and LabVIEW. The system could record and display the change of anodic current vs the accelerating voltage in real-time. Multi experimental curves of different parameters could be displayed simultaneously, which could help us to seek the peaks and valleys of the cures to obtain the volume of the first excitated voltage. Using this system, Franck-Hertz tube filled with argon was studied, and the first excitated voltage for Ar atom was measured to be 11.7 V, which agreed well with that abtained by commercial instrument.

Franck-Hertz experiment; first excitation voltage; NI myDAQ; LabVIEW

2017-02-22

國家自然科學基金項目資助(No.11175268)；廣東省高等學校質量工程項目資助課題(No.74130-18822503)

廖德駒(1967-)，男，廣東肇慶人，中山大學物理學院實驗師，碩士，從事大學物理實驗教學與研究工作.

沈 韓(1973-)，男，廣東潮州人，中山大學物理學院實驗師、副教授，博士，從事大學物理實驗教學與研究工作.

O562;O4-39

A

1005-4642(2017)07-0006-03