浅谈虚拟仪器及传感器在物理实验中的应用

物理学是研究物质运动最普遍、最基本规律的一门学科。物理学的发展取决于实验技术的发展。从本质上讲, 物理学是一门实验科学。当虚拟仪器、传感器以及计算机等现代的测量仪器引入物理实验中来时, 迅速改变了物理实验的面貌并对物理实验教学模式的改革和创新起了一个很好的促进作用。

1 虚拟仪器和传感器

虚拟仪器是20世纪80年代兴起的一项新技术, 它是将计算机技术引入仪器领域形成的一种新型的、富有生命力的仪器, 用户可根据自己的需求来定义的设计测量仪器, 配以相应具有测试功能的硬件作为信号的输入/输出接口, 完成信号的采集、测量与处理[1,2,3,4,5];传感器的作用在于将各种非电学量转变成电学量, 它的这一特征使其在与计算机结合的过程中有着天然的优势。随着微型计算机的发展, 传感器已成为计算机获取外部信息的重要手段, 成为计算机的重要输入部件之一[2]。

2 传感器、虚拟仪器在物理实验中的应用举例

在传统的物理实验中, 传感器已有较多的应用。如超声声速测量实验中, 接收超声波并将其转化成电信号的压电接能器就是声电传感器;光电二极管是最简单的将光学量转变为电学量的光电传感器等等。现代测控技术的进步带动了一系列相关学科的发展, 利用虚拟仪器和传感器并配之相关的电路, 我们可以完成实际的物理实验测量过程, 并且使过程更优化, 结果更精确。

在进行物理实验时, 在某个实验装置产生了物理信号之后, 如果是非电信号, 如声信号或光信号, 先要通过传感器将其变为电信号, 然后以计算机和采集设备为代表的虚拟仪器才能采集和处理该信号。所以, 传感器在信号的产生和处理这个过程中间起到了一个衔接的桥梁作用[2,3]。

下面以我们实验室自行开发和设计的基于Lab VIEW的虚拟仪器光衍射实验平台为例进行说明它们在物理实验中的具体应用。

该实验平台分为硬件和软件两个部分:硬件部分主要包括产生衍射光的装置、计算机和数据采集设备;软件部分则是自行编制的LABVIEW程序, 包括仿真实验和实测实验两个实验软件。

仿真实验中, 我们提供了虚拟的光源和狭缝, 根据实验者选择的实验参数可以直接将结果显示界面中, 实现衍射实验的虚拟演示;而在实测实验中, 我们设计了二维的扫描平台。光学传感器固定在扫描平台上并且可以在垂直于条纹的方向上匀速移动, 从而实现测量不同级次的光强;而光学传感器移动的相对位移我们又可以用自主设计的位移传感器来实现即时测量。这样利用光学传感器和位移传感器将光强、位移等物理量送入计算机, 再根据我们编译的软件, 就可以将光强分布的曲线图和各级衍射条纹相对强度显示在测量软件的界面中;借助软件自带的分析工具使各物理量可测可算, 极为方便。

由此, 我们可以看出实验中由于使用了现代的测量仪器和技术, 使得原来无法或不易测量的物理量变得可测量、易计算, 大大减小了实验的误差, 并且使得原本较为模糊的实验过程更加直观可见。

3 虚拟仪器相对传统仪器在实验教学过程中的优点

从上文中, 我们知道虚拟仪器在物理实验应用中的另一优点就是可以模拟与实验过程, 仿真与实测的实验程序结合一起, 从而就可以实现物理实验过程的虚实结合[3]。以本文的衍射实验为例, 我们的学生在进实验室做实验之前, 可以先登陆我们实验室的网站下载光的衍射仿真实验。通过完成仿真实验, 理解实验原理, 熟悉实验过程和步骤;并自己设计实验参数和实验条件, 记录实验结果并完成相关的思考题。在完成了仿真实验以后, 学生再进实验室进行实测实验。完成相关实验数据的采集和实验结果的对比分析, 计算实验误差并完成实验报告。

借助于互联网的优势, 通过让学生亲自操作仿真实验, 在不损坏真实实验仪器的条件下, 学生能够更真实更生动地了解整个实验过程, 更好地理解实验原理。对比于传统地通过阅读实验讲义来进行实验预习, 这种方法改变了原来学生即使预习过实验讲义, 进入实验室之后仍不知道怎样进行实验操作, 实验时间较长的弊端。同时学生将仿真实验中得到的各种实验条件和实验结果进行记录, 并在实测实验中进行检验, 自主地分析实验误差, 使得实验目的变得明确, 实验思路也变得清晰, 很好地实现了实验要达到的培养学生独立思考和创新能力的目标[4]。

这种虚实结合的教学新体系, 使得学生的抽象思维和形象思维完美的结合起来, 改善了学生预习实验的效果, 同时也减轻了实验教师的教学负担;同时学生在进行真正的实验时, 可以把主要精力放在发现问题, 思考和分析问题, 解决问题上。真正锻炼了学生的动手能力, 培养了学生严谨的实验态度和科学的实验精神。

4 结语

我们由此可以看出, 物理实验中运用了虚拟仪器和传感器, 对实验过程中出现的不直观的物理量, 如声音, 热辐射等, 或者不好表现的物理量, 如原子间的距离, 原子力等, 都可以试图采用传感器将其先转变成电学量, 然后送至传统的仪表或着现代的计算机进行显示和分析, 从而得到我们要测量的结果;并且由于虚拟仪器的仿真性, 它使得我们传统的物理实验教学有可能不再局限与有形的教室中, 教学活动的空间和时间得到了扩展, 对网络虚拟实验室的构建和实验模式的革新具有很高的实用价值和重要的现实意义。

摘要：本文介绍虚拟仪器和传感器的概念;并通过一个具体的实验实例, 阐述了虚拟仪器以及传感器的在物理实验中的应用。在此基础上, 对物理实验教学模式的改革做了一点有益的探讨。

关键词：传感器,虚拟仪器,物理实验

参考文献

[1] 李光明, 韦有忠, 黄莲花.虚拟仪器技术及其在电子及物理实验中的应用[J].装备制造技术, 2008 (11) :45～47.

[2] 郁有文, 常健, 程继红.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008.13～15.

[3] 熊永红, 任忠明, 张炯, 等.大学物理实验[M].武汉:华中科技大学出版社, 2004:223～227.

[4] 李宝华, 张培峰.物理应用技术简明教程[M].上海:上海交大出版社, 2008:311～313.

[5] 杨乐平, 李海涛.虚拟仪器技术概论[M].北京:电子工业出版社, 2003:74～78.