基于LabVIEW的電表的改裝與校準仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)

楊鐵柱，周 帥，潘 峰

(鄭州科技學院 基礎部，河南 鄭州 450064)

在大學物理實驗課程中，電表的改裝與校準實驗屬于基礎類實驗項目，能增加學生對電學知識的理解，同時能提升學生運用知識解決實際問題的能力。實驗根據(jù)電路的分流和分壓原理，將一個只允許通過較小電流的磁電式儀表(表頭)改裝為具有較大量程的電流表和電壓表。實驗以黑盒子式儀器為主，操作安全，但不利于學生了解實驗原理。實驗過程主要包含了電路設計、理論計算和改裝電表等環(huán)節(jié)，任意環(huán)節(jié)的進展緩慢都會影響到整個實驗的效率。在傳統(tǒng)實驗教學中，學生課前預習不夠直觀，是造成實驗時間長、效率低等問題的主要原因。

LabVIEW(Laboratory Visual Instrument Engineering Workbench)是由美國國家儀器(National Instrument)公司開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境[1]，使用圖形化編程語言(Graphics Language)[2]。LabVIEW程序為框圖形式，具有清晰直觀易于學習，功能強大，易于調試和維護等特點，并且生成的獨立可執(zhí)行程序(EXE)可以共享在網(wǎng)絡平臺上，有助于大學物理實驗的信息化教學。LabVIEW的虛擬實驗系統(tǒng)在實驗教學和科學研究中都得到了廣泛的應用[3-7]，但針對基礎性實驗的虛擬仿真系統(tǒng)較少。為了加深學生對儀器結構的了解，應用Solidworks軟件制作了儀器結構爆炸圖。針對此項空缺利用LabVIEW編程設計了一套集電表改裝與校準功能于一體的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

1 電表改裝與校準實驗原理

教學中，表頭G只允許通過較小的電流。通過并聯(lián)電阻，可以將表頭改裝為量程較大的電流表；通過串聯(lián)電阻，可以將表頭改裝為量程較大的電壓表。實驗主要包含以下三個步驟：

(1) 測量表頭的滿偏電流Ig和內阻Rg

測量表頭的滿偏電流Ig和內阻Rg是實驗的第一步。此虛擬仿真實驗系統(tǒng)選擇的測量方法是替代法，其原理圖如圖1所示[8-9]。

圖1 替代法原理圖

R1為阻值連續(xù)可變的滑線變阻器，R2為電阻箱。

替代法測量包含兩個基本步驟：第一步，將R1的阻值調節(jié)到最大值，電源電壓調節(jié)到最小，閉合總開關K，將單刀雙擲開關接通表頭一側，調節(jié)R1和電源電壓使表頭達到滿偏，記錄標準電流表示數(shù)，即為表頭的滿偏電流Ig；第二步，保持電源電壓和R1的阻值不變，將單刀雙擲開關接通電阻箱R2一側，調節(jié)R2致標準電流表讀數(shù)為Ig，此時R2所示阻值為表頭內阻Rg的值。

(2) 改裝成量程為Im的電流表

Rp為電阻箱。

改裝電流表原理圖如圖2所示。

圖2 改裝電流表原理圖

根據(jù)并聯(lián)電路的分流原理，將表頭與電阻箱Rp并聯(lián)。當干路的總電流達到Im時，通過表頭的電流為滿偏電流Ig，通過電阻箱的電流為Im-Ig。由并聯(lián)電路的特點和歐姆定律可以得到：

(Im-Ig)RP=IgRg

(1)

(2)

(3)改裝成量程為Um的電壓表

改裝電壓表的原理圖如圖3所示。

Rs為電阻箱圖3 改裝電壓表原理圖

根據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理，表頭與電阻箱串聯(lián)。當通過表頭的電流為滿偏電流Ig時，改裝電壓表達到滿偏電壓Um，由串聯(lián)電路的特點和歐姆定律可以得到：

(Rs+Rg)Ig=Um

(3)

(4)

(4)改裝電表的校準

改裝電表的校準是實驗重要的組成部分，改裝電流表校準原理圖如圖4所示，改裝電壓表校準原理圖如圖5所示。

圖4 改裝電流表校準原理圖

圖5 改裝電壓表校準原理圖

將改裝電表的指針間隔上升和下降各一次，并指示在相同刻度上，分別讀取標準電表的示數(shù)并計算平均值記為Is(或Us)，并與改裝電表對應刻度上的示數(shù)Ix(或Ux)進行對比，計算出修正值ΔIx=Ix-Is(或ΔUx=Ux-Us)。改裝電表的準確度等級a的計算公式為(其中a0為表頭的不確定度)[7]：

(5)

2 基于LabVIEW電表地改裝與校準仿真實驗系統(tǒng)設計

在程序設計時，電源內阻設置為1 Ω，標準電流表內阻設置為100 Ω，表頭內阻為100 Ω，電壓表內阻設置為11 000 000 Ω。為了讓實驗更加接近實際，在程序中，利用隨機數(shù)，為表頭讀數(shù)加入了不大于2.0%的隨機誤差。

2.1 系統(tǒng)前面板及運行情況

仿照THKDG-1型電表改裝與校準實驗儀，設計了虛擬仿真試驗平臺的前面板，如圖6所示。運行這個VI程序，按照如下步驟完成實驗操作，并對仿真實驗系統(tǒng)進行測試、調節(jié)和使用，達到模擬完成電表的改裝與校準實驗的全部過程。

圖6 系統(tǒng)前面板

(1)打開電源開關(紅色代表打開，白色代表關閉)，電源電壓和滑動變阻器R1均連續(xù)可調。

2)中間下方選擇框中選擇接表頭，調節(jié)電源電壓和滑動變阻器電阻，使表頭達到滿偏，通過標準電流表讀出表頭的滿偏電流Ig。

(3)中間下方選擇框中選擇接電阻，保持電源電壓和滑動變阻器R1的阻值不變，調節(jié)電阻箱阻值使標準電流表讀數(shù)為Ig，此時電阻箱阻值為表頭內阻Rg的值。

2.2 電表示數(shù)計算公式

測量表頭的滿偏電流和內阻步驟中，由圖1所示，系統(tǒng)中電流強度公式為：

(6)

其中標準電表電阻為100 Ω，r為電源內阻(1 Ω)，Rg為表頭內阻(接表頭系統(tǒng)中Rg的值為100 Ω，接電阻系統(tǒng)中的Rg值為0 Ω)，R1為滑動變阻器阻值，R2為電阻箱阻值(接表頭電路系統(tǒng)中R2的值為0 Ω，接電阻系統(tǒng)中值可調)。

改裝電流表系統(tǒng)中，如圖4所示，標準電流表電流強度Is計算公式為：

(7)

表頭電流強度Ig計算公式為：

(8)

Rp為并聯(lián)電阻箱阻值，在程序中為R2。

改裝電壓表步驟中，如圖5所示，標準電壓表電壓強度Vs計算公式為：

(9)

其中Rv為電壓表內阻(11 000 000 Ω)，Rs為串聯(lián)電阻箱阻值，在程序中為R2。

表頭電壓強度Vg計算公式為：

(10)

2.3 程序框圖和儀器結構爆炸圖

實驗系統(tǒng)中主要有4個程序，分別為測量表頭滿偏電流程序、接電阻箱測表頭內阻程序、改裝電流表程序和改裝電壓表程序等，如圖7所示。

圖7 電表改裝程序框圖

2.4 說明

(1)在操作本系統(tǒng)時，只有當儀器總開關(右下角，打開時為紅色，關閉時為灰色)打開時，被電表才能顯示出準確讀數(shù)。

(2)直流電源顯示框顯示了電源電壓值，其左側按鈕可以對電壓值進行微調，能在調節(jié)電壓時起到補充作用。

(3)當表頭指針超過量程時超量程指示燈會顯示為紅色，同時系統(tǒng)會發(fā)出警報聲。

3 結 論

以LabVIEW為開發(fā)工具，針對電表改裝與校準實驗，設計了一套虛擬仿真實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了電表改裝與校準的全部功能?；贚abVIEW開發(fā)出的虛擬仿真實驗易于維護，不用擔心儀器損壞問題。系統(tǒng)前面板直觀、動態(tài)、易于操作，儀器結構爆炸圖清晰顯示出了儀器結構，可以提高學生的學習積極性，加深學生對實驗原理的理解。通過在網(wǎng)絡上共享生成的(EXE)程序，方便學生課前預習和課后復習，提高了教師上課的效率，促進了物理實驗課程的信息化教學。