基于LabVIEW的自感现象远程实验平台的开发

    庄瑾 吴先球

    

    

    

    摘? ?要：基于LabVIEW软件并结合DAQ采集板卡、继电器模块、硬件电路和USB摄像头，搭建自感现象远程演示实验装置，实现远程数据采集、仪器控制、实时监控三大功能。该装置能够实时采集自感过程中的电流变化曲线，做到半定量分析，可改善传统实验教学中的局限;远程实验有利于提高教师的备课效率，同时对网络教学起到一定的推动作用;实时监控功能使得该平台相较于纯虚拟的仿真实验更具真实性和体验感。

    关键词：LabVIEW;NI-myDAQ;自感现象;远程实验

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）3-0046-3

    1? ? 引? 言

    自感现象是高中物理电磁学模块的重要内容，本堂课的重点是通过实验使学生了解自感现象产生的原因，难点在于理解自感电动势在电流变化时所起的作用以及断电高压产生的原因[1]。传统的自感现象实验是利用灯泡通断电时的表现来进行演示的[2]，这种实验装置存在如下局限：用两个灯泡发光的快慢来验证通电自感往往现象不够明显，学生容易对实验结论产生质疑;无法体现断电瞬间形成的自感电流究竟有多大，而相关的定量分析要进入高校后才会学习，因此教师在高中课堂上对断电瞬间并联灯泡闪亮原因的解释，说服力欠佳。为此，本文基于LabVIEW结合数据采集、互联网远程通信的技术背景，搭建自感现象远程实验平台，改善传统装置存在的局限，帮助学生理解本节课的重点和难点，同时提高教师的备课效率。

    2? ? 实验设计

    2.1? ? 实验原理

    自感现象远程实验平台包含三大模块：远程采集、远程控制以及远程监控。实验装置原理图如图1所示，用户通过客户端计算机经互联网通信访问服务器，利用外部数据通信技术实现对仪器的操控、数据的采集和传输，同时通过摄像头捕获现场画面，使得用户在客户端可以实时观测到现场实验现象。

    2.2? ? 服务端设计

    服务端即放置实验装置的一端，包含采集、控制、监控三大模块，通过LabVIEW的程序编写并结合数据采集板卡和其他硬件设备实现。采集模块，利用NI-myDAQ内部自带的电压传感器对灯泡两端电压进行采集，编写程序使得实时数据以曲线形式呈现;控制模块，利用继电器模块替代原有的干路开关接入到电路中，利用DAQ的数字输出功能操控继电器的通断;监控模块，在服务端计算机中接入USB摄像头，通过LabVIEW的IMAQ-VISION函数采集实时捕获画面[3]。

    2.3? ? 远程通信的实现

    远程实验需要利用互联网通信协助完成。在LabVIEW软件中利用TCP/IP通信协议实现远程数据传输，需分别编写客户端和服务器的程序。在服务器将读取到的电压、拍摄数据写入TCP传输协议中，经互联网通信后在客户端进行数据读取和显示，实现远程采集和远程监控功能;在客户端界面设置开关按钮，并将指令写入TCP协议，在服务器中读取数据并通过DAQ数字输出到继电器中，实现远程控制功能[4，5]。

    3? ? 实验过程及结果

    3.1? ? 实验操作

    在客户端中输入服务器地址和端口，实现服务器和客户端之间的通信。点击“开始采集”按钮，在电压变化曲线框中可看到实时的电压数据曲线，教师指导学生操控界面上的开关按钮进行电路通断控制，同时观察现场灯泡和二极管的亮灭情况和电压采集曲线。

    操作界面上有“暂停采集”按钮，可通过它随时暂停采集电压数据，方便用户观察曲线，当再次按下“開始采集”按钮即可继续进行实验，有利于教师带领学生进行重复实验。除此之外，还有“电压放大”功能，用户可根据自己想要的观察效果调节电压放大倍数，便于观察小电压数据变化的曲线。

    3.2? ? 实验结果分析

    本文所搭建的平台最大优势在于对电压的实时采集和半定量分析的实现，可解决传统实验无法解释的疑惑。

    （1）定性分析

    通过操控“开关”按钮，实验者可以通过监控视频看到灯泡和发光二极管的亮灭，通电瞬间两个灯泡先后达到最亮程度，断电瞬间反向二极管发光，符合实验预期结果。

    电压的实时采集帮助学生直观地理解自感电动势的作用。如图2在客户端界面左端，可以观察到通电瞬间两个灯泡电压增长的趋势明显不同，说明线圈所在支路电流增长较慢，而断电瞬间与线圈并联的支路产生的反向电压也非常明显，学生可以快速地验证自感现象，同时直观地看到自感电动势对电流的阻碍作用。

    （2）半定量分析

    通过半定量分析有利于学生理解断电瞬间与线圈并联的灯泡闪亮的原因及条件。教师通过在与线圈并联的支路中依次串入阻值不同的电阻，进行多次实验，引导学生验证在该电路中断电瞬间形成的自感电流等于通电时线圈支路的稳定电流，因此断电瞬间灯泡闪亮的原因及条件是线圈所在支路的阻值远小于其并联支路阻值。该结论在大学的电工学课程中可通过电感断电豫驰时间的表达式结合自感电动势公式推导得出，但在高中阶段不要求学生了解此知识，因此若能让学生直观地看到实验结果，便可在不超纲的前提下帮助学生理解灯泡闪烁的原因。

    如图3是笔者进行的某次半定量实验所采集到的电压图像，为了避免灯泡发光导致的阻值变化影响，首先将两个灯泡替换成了两个等值电阻，电阻的等值是为了可以将电压大小关系直接理解为电流大小关系。而后将与线圈并联支路中的滑动变阻器替换为1 kΩ的大电阻，进行通断电后可观察到断电瞬间反向电压大小与线圈所在支路电阻的稳定电压值相当，推导可得断电瞬间自感电流等于线圈支路通电时的稳定电流，这个结果也侧面印证了自感电动势对线圈电流起到的作用是阻碍而非阻止。

    4? ? 结? 语

    本文介绍了基于LabVIEW的自感现象远程实验平台的设计与开发，该平台具有操作简便、现象直观、体验性强等优点，同时远程实验可以辅助网络实验教学，平台能够基本实现本节课的教学目标，同时可充分调动学生的学习积极性。但其仍有需要改进之处——比如远程操控不仅仅只局限于开关，电路中的滑动变阻器亦可利用步进电机作为动力装置进行远程控制，使得该装置的客户端更具主动性。在信息技术发展迅速的时代，信息化教学被大力推广，虚拟仪器技术是非常适用于物理实验教学的一门技术，而在应用信息化教学时，一定要从教学目标和教学重难点出发，并结合传统教学中的优点去设计，更科学、合理地提高教学效果。

    参考文献：

    [1]吴顺迪，周纪良.“自感现象”演示实验的教学设计[J].实验教学与仪器，2012，29（04）：13-14.

    [2]谢佳青，张军朋.基于物理核心素养的“自感”概念教学[J].物理教学，2019，41（04）：4-7.

    [3]吴仁涛，姜云海，左建勇.基于LabVIEW平台的USB视频采集方法与应用[J].工业仪表与自动化装置，2011（03）：80-82.

    [4]丘春燕，吴先球.基于虚拟仪器技术的微小形变远程实验平台设计[J].物理教师，2015，36（03）：50-51.

    [5]吴先球.基于虚拟仪器技术的远程实验教学资源建设[J].物理实验，2017，37（11）：32.

    （栏目编辑? ? 王柏庐）