基于LabVIEW的自感現(xiàn)象遠程實驗平臺的開發(fā)

莊瑾 吳先球

摘? ?要：基于LabVIEW軟件并結(jié)合DAQ采集板卡、繼電器模塊、硬件電路和USB攝像頭，搭建自感現(xiàn)象遠程演示實驗裝置，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集、儀器控制、實時監(jiān)控三大功能。該裝置能夠?qū)崟r采集自感過程中的電流變化曲線，做到半定量分析，可改善傳統(tǒng)實驗教學中的局限;遠程實驗有利于提高教師的備課效率，同時對網(wǎng)絡教學起到一定的推動作用;實時監(jiān)控功能使得該平臺相較于純虛擬的仿真實驗更具真實性和體驗感。

關鍵詞：LabVIEW;NI-myDAQ;自感現(xiàn)象;遠程實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）3-0046-3

1? ? 引? 言

自感現(xiàn)象是高中物理電磁學模塊的重要內(nèi)容，本堂課的重點是通過實驗使學生了解自感現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，難點在于理解自感電動勢在電流變化時所起的作用以及斷電高壓產(chǎn)生的原因[1]。傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象實驗是利用燈泡通斷電時的表現(xiàn)來進行演示的[2]，這種實驗裝置存在如下局限：用兩個燈泡發(fā)光的快慢來驗證通電自感往往現(xiàn)象不夠明顯，學生容易對實驗結(jié)論產(chǎn)生質(zhì)疑;無法體現(xiàn)斷電瞬間形成的自感電流究竟有多大，而相關的定量分析要進入高校后才會學習，因此教師在高中課堂上對斷電瞬間并聯(lián)燈泡閃亮原因的解釋，說服力欠佳。為此，本文基于LabVIEW結(jié)合數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)網(wǎng)遠程通信的技術(shù)背景，搭建自感現(xiàn)象遠程實驗平臺，改善傳統(tǒng)裝置存在的局限，幫助學生理解本節(jié)課的重點和難點，同時提高教師的備課效率。

2? ? 實驗設計

2.1? ? 實驗原理

自感現(xiàn)象遠程實驗平臺包含三大模塊：遠程采集、遠程控制以及遠程監(jiān)控。實驗裝置原理圖如圖1所示，用戶通過客戶端計算機經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)通信訪問服務器，利用外部數(shù)據(jù)通信技術(shù)實現(xiàn)對儀器的操控、數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時通過攝像頭捕獲現(xiàn)場畫面，使得用戶在客戶端可以實時觀測到現(xiàn)場實驗現(xiàn)象。

2.2? ? 服務端設計

服務端即放置實驗裝置的一端，包含采集、控制、監(jiān)控三大模塊，通過LabVIEW的程序編寫并結(jié)合數(shù)據(jù)采集板卡和其他硬件設備實現(xiàn)。采集模塊，利用NI-myDAQ內(nèi)部自帶的電壓傳感器對燈泡兩端電壓進行采集，編寫程序使得實時數(shù)據(jù)以曲線形式呈現(xiàn);控制模塊，利用繼電器模塊替代原有的干路開關接入到電路中，利用DAQ的數(shù)字輸出功能操控繼電器的通斷;監(jiān)控模塊，在服務端計算機中接入USB攝像頭，通過LabVIEW的IMAQ-VISION函數(shù)采集實時捕獲畫面[3]。

2.3? ? 遠程通信的實現(xiàn)

遠程實驗需要利用互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)助完成。在LabVIEW軟件中利用TCP/IP通信協(xié)議實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，需分別編寫客戶端和服務器的程序。在服務器將讀取到的電壓、拍攝數(shù)據(jù)寫入TCP傳輸協(xié)議中，經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)通信后在客戶端進行數(shù)據(jù)讀取和顯示，實現(xiàn)遠程采集和遠程監(jiān)控功能;在客戶端界面設置開關按鈕，并將指令寫入TCP協(xié)議，在服務器中讀取數(shù)據(jù)并通過DAQ數(shù)字輸出到繼電器中，實現(xiàn)遠程控制功能[4，5]。

3? ? 實驗過程及結(jié)果

3.1? ? 實驗操作

在客戶端中輸入服務器地址和端口，實現(xiàn)服務器和客戶端之間的通信。點擊“開始采集”按鈕，在電壓變化曲線框中可看到實時的電壓數(shù)據(jù)曲線，教師指導學生操控界面上的開關按鈕進行電路通斷控制，同時觀察現(xiàn)場燈泡和二極管的亮滅情況和電壓采集曲線。

操作界面上有“暫停采集”按鈕，可通過它隨時暫停采集電壓數(shù)據(jù)，方便用戶觀察曲線，當再次按下“開始采集”按鈕即可繼續(xù)進行實驗，有利于教師帶領學生進行重復實驗。除此之外，還有“電壓放大”功能，用戶可根據(jù)自己想要的觀察效果調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)，便于觀察小電壓數(shù)據(jù)變化的曲線。

3.2? ? 實驗結(jié)果分析

本文所搭建的平臺最大優(yōu)勢在于對電壓的實時采集和半定量分析的實現(xiàn)，可解決傳統(tǒng)實驗無法解釋的疑惑。

（1）定性分析

通過操控“開關”按鈕，實驗者可以通過監(jiān)控視頻看到燈泡和發(fā)光二極管的亮滅，通電瞬間兩個燈泡先后達到最亮程度，斷電瞬間反向二極管發(fā)光，符合實驗預期結(jié)果。

電壓的實時采集幫助學生直觀地理解自感電動勢的作用。如圖2在客戶端界面左端，可以觀察到通電瞬間兩個燈泡電壓增長的趨勢明顯不同，說明線圈所在支路電流增長較慢，而斷電瞬間與線圈并聯(lián)的支路產(chǎn)生的反向電壓也非常明顯，學生可以快速地驗證自感現(xiàn)象，同時直觀地看到自感電動勢對電流的阻礙作用。

（2）半定量分析

通過半定量分析有利于學生理解斷電瞬間與線圈并聯(lián)的燈泡閃亮的原因及條件。教師通過在與線圈并聯(lián)的支路中依次串入阻值不同的電阻，進行多次實驗，引導學生驗證在該電路中斷電瞬間形成的自感電流等于通電時線圈支路的穩(wěn)定電流，因此斷電瞬間燈泡閃亮的原因及條件是線圈所在支路的阻值遠小于其并聯(lián)支路阻值。該結(jié)論在大學的電工學課程中可通過電感斷電豫馳時間的表達式結(jié)合自感電動勢公式推導得出，但在高中階段不要求學生了解此知識，因此若能讓學生直觀地看到實驗結(jié)果，便可在不超綱的前提下幫助學生理解燈泡閃爍的原因。

如圖3是筆者進行的某次半定量實驗所采集到的電壓圖像，為了避免燈泡發(fā)光導致的阻值變化影響，首先將兩個燈泡替換成了兩個等值電阻，電阻的等值是為了可以將電壓大小關系直接理解為電流大小關系。而后將與線圈并聯(lián)支路中的滑動變阻器替換為1 kΩ的大電阻，進行通斷電后可觀察到斷電瞬間反向電壓大小與線圈所在支路電阻的穩(wěn)定電壓值相當，推導可得斷電瞬間自感電流等于線圈支路通電時的穩(wěn)定電流，這個結(jié)果也側(cè)面印證了自感電動勢對線圈電流起到的作用是阻礙而非阻止。

4? ? 結(jié)? 語

本文介紹了基于LabVIEW的自感現(xiàn)象遠程實驗平臺的設計與開發(fā)，該平臺具有操作簡便、現(xiàn)象直觀、體驗性強等優(yōu)點，同時遠程實驗可以輔助網(wǎng)絡實驗教學，平臺能夠基本實現(xiàn)本節(jié)課的教學目標，同時可充分調(diào)動學生的學習積極性。但其仍有需要改進之處——比如遠程操控不僅僅只局限于開關，電路中的滑動變阻器亦可利用步進電機作為動力裝置進行遠程控制，使得該裝置的客戶端更具主動性。在信息技術(shù)發(fā)展迅速的時代，信息化教學被大力推廣，虛擬儀器技術(shù)是非常適用于物理實驗教學的一門技術(shù)，而在應用信息化教學時，一定要從教學目標和教學重難點出發(fā)，并結(jié)合傳統(tǒng)教學中的優(yōu)點去設計，更科學、合理地提高教學效果。

參考文獻：

[1]吳順迪，周紀良.“自感現(xiàn)象”演示實驗的教學設計[J].實驗教學與儀器，2012，29（04）：13-14.

[2]謝佳青，張軍朋.基于物理核心素養(yǎng)的“自感”概念教學[J].物理教學，2019，41（04）：4-7.

[3]吳仁濤，姜云海，左建勇.基于LabVIEW平臺的USB視頻采集方法與應用[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2011（03）：80-82.

[4]丘春燕，吳先球.基于虛擬儀器技術(shù)的微小形變遠程實驗平臺設計[J].物理教師，2015，36（03）：50-51.

[5]吳先球.基于虛擬儀器技術(shù)的遠程實驗教學資源建設[J].物理實驗，2017，37（11）：32.

（欄目編輯? ? 王柏廬）