基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)及示教

李潮銳

(中山大學(xué) 物理學(xué)院，廣東 廣州 510275)

虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量[1-5]，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)+虛擬儀器技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)跨校區(qū)(遠(yuǎn)程)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6]. 盡管遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)不能取代現(xiàn)場(chǎng)操作的教學(xué)作用，但它為教學(xué)資源共享提供了可操作實(shí)施的途徑. 物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，理論物理課程往往需要實(shí)驗(yàn)演示輔助教學(xué)，將抽象的物理概念或原理形象化. 基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程(跨校區(qū))物理實(shí)驗(yàn)示教，既突出物理學(xué)科的特點(diǎn)，又體現(xiàn)物理教學(xué)的特色. 為配合長(zhǎng)學(xué)制(本博連讀)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)“醫(yī)學(xué)診療技術(shù)的物理原理”理論課教學(xué)，作者運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)+虛擬儀器技術(shù)基于C/S模式實(shí)施遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)示教. 在物理課堂教學(xué)中，根據(jù)需要通過(guò)遠(yuǎn)程交互界面發(fā)送實(shí)驗(yàn)操作指令，由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器對(duì)儀器設(shè)備實(shí)施測(cè)量控制并實(shí)時(shí)回傳實(shí)驗(yàn)結(jié)果輔助理論課堂教學(xué). 實(shí)踐表明，這一教學(xué)技術(shù)也適用于實(shí)驗(yàn)課堂交流. 通過(guò)“借用”放置于其他地點(diǎn)的儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析，既不中斷課堂實(shí)驗(yàn)進(jìn)程又展示了靈活的實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù).

1 RLC諧振頻率特性

LC電路是核磁共振有效激發(fā)或檢測(cè)的重要電子技術(shù)單元，其諧振特性測(cè)量的本質(zhì)是變頻交流阻抗測(cè)量. 由于核磁共振技術(shù)原理的教學(xué)需要，文獻(xiàn)[7]介紹了利用數(shù)字電橋?qū)C電路幅頻和相頻特性進(jìn)行測(cè)量分析. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LC并聯(lián)諧振可實(shí)現(xiàn)電流放大功能，更適合于核磁共振激發(fā)；LC串聯(lián)諧振具有電壓放大作用，有利于核磁共振檢測(cè). 為進(jìn)一步說(shuō)明信號(hào)(初)相位或信號(hào)之間相位差的物理含意以及其重要性，文獻(xiàn)[8]使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器更清晰地觀測(cè)信號(hào)相位及其變化過(guò)程，并由波形數(shù)據(jù)通過(guò)離散傅里葉分析準(zhǔn)確得到信號(hào)的幅值和相位，更直觀地實(shí)現(xiàn)LC回路諧振特性定量分析. 上述實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程有效地輔助理論課程的課堂教學(xué)，也是遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)示教案例.

由Tektronix MDO4034C數(shù)字存儲(chǔ)示波器及其集成MDO4AFG任意函數(shù)發(fā)生器(附件)組建測(cè)量系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)服務(wù)器通過(guò)USB接口分別對(duì)MDO4034C主機(jī)和MDO4AFG附件實(shí)施測(cè)控和數(shù)據(jù)采集. 選用Rs=74.86 Ω，Ls=33.04 mH，Cp=7.20 nF. 圖1顯示了遠(yuǎn)程課堂示教交互界面及并聯(lián)LC電路頻率特性. 相同技術(shù)方法可以實(shí)時(shí)獲得串聯(lián)LC電路頻率特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

文獻(xiàn)[7]已詳細(xì)分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此不再贅述. 值得一提的是，由于遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)時(shí)回傳取樣電阻R壓降(紅色)和RLC電路輸入電壓(藍(lán)色)波形數(shù)據(jù)，在課堂上可以很直觀地觀察到信號(hào)幅值及兩者之間相位差隨頻率變化過(guò)程. 若從低頻端開始實(shí)驗(yàn)，可見電阻壓降信號(hào)超前電路輸入信號(hào)；隨著頻率增加，兩者相位差逐漸縮小. 直至諧振時(shí)，兩者同相. 隨后，電阻R壓降信號(hào)開始落后于RLC電路輸入信號(hào)，且隨頻率繼續(xù)增加而相位差增大. 觀測(cè)信號(hào)之間相位差變化有助于深刻理解LC諧振特性，更為后續(xù)講解自旋回波成像的相位編碼技術(shù)做鋪墊.

圖1 RLC頻率特性遠(yuǎn)程示教交互界面

2 連續(xù)波核磁共振觀測(cè)

核磁共振是在滿足能量守恒和角動(dòng)量守恒條件下，外磁場(chǎng)中核自旋精細(xì)能級(jí)對(duì)激發(fā)光子產(chǎn)生吸收使基態(tài)粒子躍遷至激發(fā)態(tài). 基態(tài)是穩(wěn)定態(tài)具有無(wú)限壽命，而處于激發(fā)態(tài)粒子經(jīng)過(guò)一定時(shí)間之后必將回到基態(tài). 縱向弛豫反映了粒子在激發(fā)態(tài)壽命這一物理本質(zhì)，而橫向弛豫則描述了在垂直于外磁場(chǎng)方向的平面上自旋磁矩退相干的物理過(guò)程. 此外，磁場(chǎng)不均勻性還將加速退相干，這也正是連續(xù)波核磁共振弛豫的物理事實(shí). 由此可知，連續(xù)波核磁共振實(shí)驗(yàn)是理解核磁共振成像原理的物理基礎(chǔ)，也是輔助核磁共振物理原理課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)示教案例.

使用復(fù)旦天欣CNMR-I連續(xù)波核磁共振實(shí)驗(yàn)裝置，由Rigol DP831A穩(wěn)恒電源提供附加勵(lì)磁電流以改變外磁場(chǎng)強(qiáng)度. 使用Rigol DS4022數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀測(cè)核磁共振吸收和調(diào)制場(chǎng)同步信號(hào)，且由Agilent 53181A通用計(jì)數(shù)器測(cè)量共振頻率. 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)服務(wù)器通過(guò)GPIB和USB接口分別對(duì)HP53181A，DP831A和DS4022實(shí)施測(cè)控和數(shù)據(jù)采集. 選用適當(dāng)濃度的硫酸銅水溶液為實(shí)驗(yàn)樣品. 圖2是掃場(chǎng)法連續(xù)波核磁共振觀測(cè)的遠(yuǎn)程示教交互界面.

圖2 連續(xù)波核磁共振遠(yuǎn)程示教交互界面

上述實(shí)驗(yàn)方案同時(shí)適合于掃場(chǎng)法和掃頻法. 掃場(chǎng)法實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用DP831A提供可調(diào)穩(wěn)恒勵(lì)磁電流改變磁場(chǎng)強(qiáng)度；掃頻法觀測(cè)時(shí)，DP831A作為變?nèi)荻O管偏壓的可調(diào)恒壓源用于改變邊限振蕩器的工作頻率[9].

簡(jiǎn)單介紹掃場(chǎng)法實(shí)驗(yàn)示教操作方法. 首先，通過(guò)適當(dāng)設(shè)置圖2(c)勵(lì)磁電流增量和方向，實(shí)時(shí)觀測(cè)圖2(a)共振信號(hào)變化，直至每調(diào)制場(chǎng)周期出現(xiàn)2個(gè)等間隔的共振吸收信號(hào). 隨之，設(shè)置勵(lì)磁電流增量為零. 由于CNMR-I配套電源不具備自動(dòng)化測(cè)控功能，無(wú)法遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)調(diào)制場(chǎng)同步信號(hào)相位. 盡管如此，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)非常有效地輔助核磁共振物理原理課堂教學(xué). 圖2(b)和(c)還分別記錄了在示教過(guò)程中，溫漂將影響振蕩頻率(和磁場(chǎng)強(qiáng)度)穩(wěn)定性. 為配合課堂教學(xué)需要，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使共振信號(hào)保持處于等間隔狀態(tài). 若選用“尾波”較長(zhǎng)的硫酸銅水溶液樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果既用于解釋共振吸收的能量守恒原理，又能分析共振弛豫過(guò)程. 文獻(xiàn)[10]已對(duì)圖2(a)中調(diào)制場(chǎng)前半周和后半周所對(duì)應(yīng)共振信號(hào)差異問(wèn)題，作了充分討論，并提出了解決辦法.

采用掃頻法實(shí)驗(yàn)示教可取得相同的課堂教學(xué)效果.

3 磁場(chǎng)隨磁體溫漂變化

文獻(xiàn)[11]已詳細(xì)分析了在磁共振實(shí)驗(yàn)中磁體溫漂對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的影響及相關(guān)教學(xué)問(wèn)題. 不管是微波電子自旋共振還是射頻核磁共振系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程都會(huì)遇到由于磁體微小溫漂而導(dǎo)致共振信號(hào)“消失”. 為突出實(shí)驗(yàn)課堂討論重點(diǎn)而不中斷實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，同時(shí)也不影響他人實(shí)驗(yàn)測(cè)量，使用放置于另一地點(diǎn)的核磁共振磁體和帶溫度補(bǔ)償?shù)奶厮估?jì)組建演示實(shí)驗(yàn). 為使微波電子自旋共振實(shí)驗(yàn)和核磁共振系列實(shí)驗(yàn)的全體學(xué)生同時(shí)參與課堂討論，采用遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)示教可以擴(kuò)大教學(xué)受益面.

由Motech LPS305穩(wěn)恒電源所提供的勵(lì)磁電流將使磁體溫度緩慢變化(升溫)，使用東方晨景TC202溫控儀測(cè)量磁體溫度. 帶溫度補(bǔ)償探頭的華鳴CH1500特斯拉計(jì)可以同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和傳感器所處位置溫度. 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)服務(wù)器通過(guò)RS232接口對(duì)LPS305，TC202和CH1500實(shí)施測(cè)控和數(shù)據(jù)采集. 圖3顯示了觀測(cè)磁體溫度變化對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度影響的遠(yuǎn)程示教交互界面.

圖3 磁場(chǎng)強(qiáng)度隨磁體溫度變化的遠(yuǎn)程示教交互界面

圖3(b)和(d)分別顯示磁體溫度和特斯拉計(jì)探頭溫度隨勵(lì)磁電流加熱時(shí)間變化過(guò)程；(a)和(c)為磁場(chǎng)強(qiáng)度分別隨磁體溫度和加熱時(shí)間變化情況. 由圖3(d)可見，盡管磁體溫度明顯上升而探頭溫度依然比較穩(wěn)定，且由于探頭具有溫度補(bǔ)償功能，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得磁場(chǎng)強(qiáng)度變化源于磁體溫度變化.

圖3所示遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)示教的目的在于驗(yàn)證磁體溫漂對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，從而理解在微波電子自旋共振和核磁共振系列實(shí)驗(yàn)中共振吸收信號(hào)漂移的物理本質(zhì)，同時(shí)掌握準(zhǔn)確測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的技術(shù)方法. 事實(shí)上，勵(lì)磁電流熱效應(yīng)或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境溫度變化都可以引起磁體溫漂. 由此可知，在室溫變化環(huán)境中(較長(zhǎng)時(shí)間)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)磁體溫度及其磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系也是可選的實(shí)驗(yàn)示教案例.

4 結(jié)束語(yǔ)

作者多年同時(shí)承擔(dān)物理理論課和實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)，在理論課教學(xué)中盡可能通過(guò)實(shí)驗(yàn)事實(shí)將物理概念或原理可視化，在實(shí)驗(yàn)課堂上也更關(guān)注測(cè)量技術(shù)原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的物理含意. 實(shí)驗(yàn)課教學(xué)與理論課教學(xué)相互促進(jìn)，不斷優(yōu)化物理教學(xué)技術(shù)和方法，以期達(dá)到更好的教學(xué)效果. 上述3個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)示教案例融合理論原理、實(shí)驗(yàn)原理和遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)為一體，由此也展示了作者一直堅(jiān)持并實(shí)踐的理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的物理教學(xué)方法.

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