介電常數(shù)測量仿真教學(xué)系統(tǒng)

夏 恒, 王銘熙, 黃 鑫, 王 劍

(內(nèi)江師范學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院, 四川 內(nèi)江 641100)

0 引言

介電常數(shù)的測量是大學(xué)物理中常見的實驗之一,旨在培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力和創(chuàng)新精神.隨著現(xiàn)代信息的飛速發(fā)展,實驗教學(xué)也逐漸信息化[1].《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》明確提到,為了使實驗教學(xué)與信息科技高度融合,需開展本科高校的示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)工作[2].虛擬仿真實驗雖不能代替真實的實踐操作,但它一方面能最大程度上模擬實驗過程,使學(xué)生起到一個提前預(yù)習(xí)并了解實驗原理的效果;另一方面可以不受客觀環(huán)境因素的影響,達到可以隨時隨地進行實驗操作的目的.

在大學(xué)物理實驗中,“介電常數(shù)”的測量是較為復(fù)雜的一類實驗,其實驗裝置需要實驗主機、試驗樣品、壓緊裝置、電容調(diào)節(jié)旋鈕等部分組成.在傳統(tǒng)實驗過程中,由于傳統(tǒng)儀器使用的復(fù)雜性,導(dǎo)致在校內(nèi)調(diào)研中,很多同學(xué)對本實驗的操作是停留在得出數(shù)據(jù)即可的狀態(tài),其中的原理并沒有很好地掌握.為了解決此問題,該測量系統(tǒng)以基本原理為架構(gòu),在教學(xué)方法上進行創(chuàng)新,不僅構(gòu)建了電橋電路的程序框圖,有效解決了學(xué)生對原理模糊、實驗方法不清晰等問題,還設(shè)計出了不同板塊,簡捷易操作的仿真實驗前面板,滿足了學(xué)生通過虛擬仿真界面[3]完成數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)調(diào)控、結(jié)果計算、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析的整個測量過程的需求.相較于傳統(tǒng)實驗,該系統(tǒng)達到了使學(xué)生在“做中學(xué)”的目的,避免了由于傳統(tǒng)儀器操作步驟的復(fù)雜性而導(dǎo)致學(xué)生理解難度增大的問題;該程序運行時界面簡潔,精度達標(biāo),不僅在一定程度上替代了實驗室的實際動手操作,還起到一定的預(yù)習(xí)作用.鑒于此,本文對基于LabVIEW虛擬仿真平臺的介電常數(shù)測量系統(tǒng)進行了介紹,以起到輔助傳統(tǒng)實驗教學(xué),并對類似的電學(xué)實驗仿真項目的開發(fā)和使用提供一定的借鑒作用.

1 系統(tǒng)原理

介電常數(shù)測量系統(tǒng)利用電橋法[4]來測量固體電介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr[5-6],原理如圖1所示.

圖1 實驗原理圖

將整個電橋[7]和Cx令為Rm;C2和R2令為Rn,根據(jù)基爾霍夫定律和歐姆定律得到電橋平衡方程為:

(1)

(2)

(3)

將式(2)和(3)代入到式(1)中便可得到式(4),即IG=0時的普通表達式:

(4)

式中:R2、R3、R4、Rx、C2分別為實驗原理圖(見圖1)中各個電阻的阻值大小和平行極板的電容值;f為所用交流電頻率大小.

依據(jù)《基于LabVIEW的相對介電常數(shù)測量系統(tǒng)》中對電容消除邊界效應(yīng)的方法[10-11]可以得出:

C串=Cx2-Cx1+Cx,

式中:Cx1為電極間為空氣介質(zhì)時測得的電容εr值;Cx2電極間放入介質(zhì)時測得的電容值.

最終整理得到固體介質(zhì)相對介電常數(shù):

根據(jù)式(5)可求得相對介電常數(shù)εr的值.

2 面板設(shè)計

LabVIEW編程語言作為可視化編程語言,程序設(shè)計需要同時考慮控制面板和程序框圖兩部分.根據(jù)介電常數(shù)實驗的測量原理步驟,控制面板中展示有實驗原理設(shè)計圖、參數(shù)設(shè)置區(qū)、電橋控制區(qū)、數(shù)據(jù)生成區(qū)和圖表區(qū)五個不同的板塊.程序前面板如圖2所示.

圖2 程序前面板設(shè)計

LabVIEW編程語言中,常用的數(shù)據(jù)輸入可以使用不同的數(shù)值控件,如數(shù)值輸入控件、量表、轉(zhuǎn)盤、滾動條等.雖然外觀各不相同,但所表示的數(shù)據(jù)類型是相同的.根據(jù)程序設(shè)計需要,在參數(shù)設(shè)置區(qū)的面板中放置了六個數(shù)值輸入控件,分別負責(zé)檢流計波動區(qū)域值、電極間為空氣介質(zhì)時電容Cx1的值、放入介質(zhì)時測得電容為Cx2的值、兩極板間距D(mm)、樣品厚度t(mm)、樣品面積S(mm2).在學(xué)生開始實驗之前,需要將所測量物體的各個參數(shù)值輸入到該區(qū)域中,以便于讓程序識別,并且在該區(qū)域中嵌入了自動識別系統(tǒng),用于判斷輸入的參數(shù)是否合理.參數(shù)設(shè)置面板如圖3所示.

圖3 參數(shù)設(shè)置區(qū)面板

由于該程序是以交流電橋為理論基礎(chǔ)而設(shè)計的測量系統(tǒng),所以在測量環(huán)節(jié)中需要滿足電橋平衡的條件.學(xué)生在上一環(huán)節(jié)中輸入合理的參數(shù)值之后便會進入到電橋控制區(qū).當(dāng)電橋達到平衡時,檢流計所在支路無電流通過,即IG=0(見式(4)).為了將電橋平衡這個抽象的過程更加具體化,該面板中加入了靈敏檢流計,讓學(xué)生能夠清楚地看到電橋平衡的過程.電橋控制面板如圖4所示.

圖4 電橋控制區(qū)面板

在每次測量完成之后,點擊該區(qū)域中的記錄按鈕,生成的結(jié)果便會自動記錄在數(shù)據(jù)生成區(qū)中,該區(qū)域可以將所得結(jié)果緩存在面板(見圖5),也可以將數(shù)據(jù)儲存到EXCEL表格中進行詳細分析.考慮到該仿真測試儀在進行實驗時需要有大量數(shù)據(jù)讀取,所以加入了圖表區(qū)(見圖6)采用波形圖控件來顯示數(shù)據(jù)波形.波形圖表控件包括X軸和Y軸,其中X軸表示試驗次數(shù),Y軸表示所測結(jié)果的值.

圖5 數(shù)據(jù)生成區(qū)面板

圖6 圖表區(qū)面板

3 程序特點

該測量系統(tǒng)依托“G”語言編寫完成.在程序框圖中加入了多個智能檢測系統(tǒng)以及調(diào)節(jié)系統(tǒng),以便應(yīng)對在實驗環(huán)節(jié)中由于學(xué)生的操作失誤而導(dǎo)致最終實驗結(jié)果出現(xiàn)錯誤,甚至造成實驗室安全事故.此外,還可以提高系統(tǒng)對不同環(huán)境的適配度而模擬更真實的實驗環(huán)境.

據(jù)調(diào)查,學(xué)生在實驗的過程中會因為對實驗原理不清楚而遺漏操作步驟,導(dǎo)致實驗結(jié)果最終出現(xiàn)錯誤.為了使學(xué)生更好地理解該實驗的原理以及各個字母符號所代表的物理含義和取值,系統(tǒng)設(shè)置了“實驗陷阱”來模擬學(xué)生在實驗操作中的易錯點,并會全程“監(jiān)管”學(xué)生的操作步驟.一旦發(fā)現(xiàn)實驗步驟出現(xiàn)錯誤便會自動報警提醒學(xué)生,同時終止實驗的進行,避免了學(xué)生在不清楚實驗原理的情況的下進行操作.模式類似于闖關(guān)游戲,學(xué)生須認(rèn)真并且正確地完成上一關(guān)的內(nèi)容,然后才能順利進入到下一關(guān),最終得到結(jié)果.程序框圖如圖7順序監(jiān)管系統(tǒng)程序所示.

圖7 順序監(jiān)管系統(tǒng)程序

開始實驗時,首先會在參數(shù)設(shè)置區(qū)進行參數(shù)的輸入,系統(tǒng)會立即判斷輸入的參數(shù)值是否符合本實驗的要求,并顯示“YES”或“NO”給予提示.這有效避免了學(xué)生在傳統(tǒng)實驗操作中由于輸入錯誤的參數(shù)值而導(dǎo)致在接下來的實驗中一步錯、步步錯.

實驗過程中,為了解決學(xué)生不了解電橋平衡原理的問題,在程序的顯示面板中嵌入了動態(tài)檢流計,程序框圖如圖8所示.

圖 8 智能檢流計程序

這可以讓學(xué)生在參數(shù)設(shè)置區(qū)中自主設(shè)置檢流計死區(qū),從而控制靈敏檢流計的指針達到平衡的難易程度.當(dāng)數(shù)值調(diào)控完畢以后,電橋控制區(qū)中的安全指示燈會依據(jù)系統(tǒng)的自動判別功能進行識別.如果在規(guī)定的死區(qū)以內(nèi),安全指示燈則會顯示綠色表示通過,否則便會顯示紅色予以警告.這有助于更加直觀地看到電橋平衡的過程,跳出單純的理論層面.

由于該實驗的結(jié)果計算與使用的交流電頻率有關(guān)[12],如式(1)所示,又考慮到我國不同地區(qū)由于交流電頻率的不同,基本在50～60波動.所以在程序中加入了可調(diào)節(jié)交流電頻率的設(shè)置——環(huán)境適配系統(tǒng),用來提高該程序模擬程度,以最大程度還原更多地區(qū)的實驗室情況.為了方便學(xué)生在操作過程中交流電頻率的調(diào)節(jié),頻率變化圖會在操作面板中的“圖表區(qū)”得以顯示.

4 系統(tǒng)應(yīng)用

在對系統(tǒng)進行調(diào)試,設(shè)置好檢流計死區(qū)以后,對同一種材料分別進行了三次測量.測量時,設(shè)置極板間距為5 mm、Cx1=16.57pF、Cx2=14.86pF、樣品厚度為4.38 mm、樣品面積為0.001 267 mm2將系統(tǒng)所需要的各項數(shù)據(jù)正確錄入到參數(shù)設(shè)置區(qū)中.測量結(jié)果的對比值是線下使用實驗室介電常數(shù)測試儀測得的結(jié)果.我們選用了一種經(jīng)過傳統(tǒng)儀器測量三次后的測量值分別為1.43、1.38、1.41的樣品進行對比,通過該系統(tǒng)的三次測量,其結(jié)果分別為1.49、1.46、1.44,與標(biāo)準(zhǔn)的測量值相比,相對誤差分別為4.02%、5.48%、2.08%.

該系統(tǒng)在物體尺寸測量與參數(shù)收集方面的方法趨于理想化,若考慮邊界效應(yīng)以及實驗環(huán)境所處的溫度情況后,可以增加實驗結(jié)果的精確度.對以上結(jié)果進行分析,該系統(tǒng)的測量結(jié)果與線下使用介電常數(shù)測量儀的測量結(jié)果誤差均小于6%,說明此仿真實驗誤差較小,實驗結(jié)果具有較高的精確度,基本達到了實驗教學(xué)的使用級別.

據(jù)統(tǒng)計有91%的同學(xué)在應(yīng)用該系統(tǒng)進行實驗以及傳統(tǒng)儀器進行實驗后,認(rèn)為該系統(tǒng)可以更好地讓他們掌握實驗原理,使整個實驗步驟邏輯更為清晰.

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)使用LabVIEW編程語言設(shè)計了仿真介電常數(shù)測量系統(tǒng)[13],程序通過仿真軟件平臺設(shè)計的介電常數(shù)測量系統(tǒng)對電介質(zhì)進行測量.該測量系統(tǒng)綜合了交流電橋、智能識別系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析等元素,解決了學(xué)生由于對實驗原理不清楚而造成在真實實驗中出現(xiàn)操作錯誤最終導(dǎo)致實驗結(jié)果錯誤,克服了學(xué)習(xí)障礙,提高了實驗成功率并鞏固了學(xué)習(xí)效果.

在實驗操作中依托“順序監(jiān)管系統(tǒng)”和“自動識別系統(tǒng)”的智能化,可以有效避免學(xué)生在不清楚實驗原理的情況下盲目操作,起到一定的預(yù)習(xí)作用.這在較大程度上的避免了在線下實驗由于操作失誤,接線柱連接錯誤而可能帶來的實驗室安全問題.學(xué)生通過動態(tài)的檢流計的變化,手動調(diào)控電橋達到平衡的難易程度,可以更加深刻理解電橋平衡的原理,將抽象的知識具體化.充分發(fā)揮了實驗教學(xué)與現(xiàn)代信息科技融合的特點.

據(jù)調(diào)研,學(xué)生在使用該系統(tǒng)進行《介電常數(shù)的測量》實驗以后,有91%的學(xué)生認(rèn)為相比于使用傳統(tǒng)儀器,該系統(tǒng)更能直觀地反映實驗原理,讓學(xué)生理解得更加透徹;在所得結(jié)果中,相較于傳統(tǒng)儀器的實驗結(jié)果偏差均在6%以下,符合實驗室使用標(biāo)準(zhǔn).

考慮到該系統(tǒng)在設(shè)計思路和技術(shù)方案上能夠起到較好的教學(xué)作用,成熟程度比較高;對運行原理進行更加精確的計算后,該系統(tǒng)社會效益也是巨大的,可以應(yīng)用于民用,工業(yè)等多個領(lǐng)域.