E технологии National Instruments в физическом практикуме рудн icon

E технологии National Instruments в физическом практикуме рудн


Смотрите также:
Методические указания к лабораторной работе №2  ...
E. 12. O. Лабораторный практикум по курсу радиотехнические цепи и сигналы на базе...
Конспект лекции Санкт-Петербург 2009 удк 530. 1 Андреев А. Д., Черных Л. М. Физика...
Опыт использования информационных технологий national instruments...
Секция информационные технологии в науке, образовании и промышленности...
E. 13. O. Технологии national instruments в информатизации инженерного образования...
M o приборы медицинской диагностики на базе решений фирмы national instruments...
Практикум по диагностике неисправностей Аппаратуры в программной среде Labview а. А. Калмыков...
Применение labview в теплофизических измерениях...
Реферат Системы сбора данных модульного типа...
Учебное пособие Москва Издательство рудн 2004...
Обучающие программы Учебно-методические комплексы Компьютерные технологии в лабораторном...



Загрузка...
скачать
E.3.0. ТЕХНОЛОГИи National Instruments

В физическом практикуме РУДН


В.В. Андреев, В.И. Корольков, Д.В. Чупров


Российский университет дружбы народов. Центр прикладных информационных технологий РУДН

117198, ул. М.-Маклая 6

(095) 955-09-23, факс 954-03-36, e-mail: esea_ni@sci.pfu.edu.ru


Быстроизменяющиеся условия и уже достигнутый уровень современных прикладных информационных технологий создает ряд задач для высших учебных заведений, ведущих подготовку специалистов в области инженерных и естественных наук. А именно, требует постоянного обновления и корректировки курсов преподавания в соответствии с последними достижениями, что особенно актуально для практической работы студентов. Главная задача вуза в этих условиях остается прежней, сохранить и улучшить практическую подготовку в условиях ограниченных финансовых средств, необходимых для модернизации и переоснащения современным научным оборудованием студенческих учебных и исследовательских рабочих мест. Одним из возможных решений данной проблемы является использование средств измерений, контроля и управления технологическими процессами на основе вычислительной техники и программируемых контроллеров. Использование современных программных решений и аппаратных ресурсов, объединенных единой универсальной программной платформой, позволяет создавать многофункциональные виртуальные и реальные инструменты с удобным для работы студента и исследователя интерфейсом. В связи с последними достижениями в компьютерных технологиях появились реальные возможности внедрения более продвинутого, эффективного, высокой степени интерактивного программного обеспечения и аппаратных ресурсов без использования дорогостоящего оборудования.

На кафедре экспериментальной физики РУДН продолжается начатая еще в 2002 году работа по внедрению программно-аппаратных комплексов National Instruments в образовательный и научный процессы.

  1. ^ Специальный физический практикум.

Традиционным измерительным оборудованием физических практикумов вузов являются аналоговые приборы (измерительные генераторы, вольтметры, амперметры, спектр-анализаторы и т.д.). При этом управление и считывание показаний осуществляется оператором вручную. Зачастую для работы со сложными уникальными измерительными комплексами, когда необходимо одновременно отслеживать большое количество параметров, одного оператора оказывается недостаточно.

В то же время в подавляющем большинстве случаев временной масштаб процессов позволяет применять стандартные цифровые аппаратные и программные решения для автоматизации измерений и вычислений. Ниже приведены краткие описания лабораторных работ специального физического практикума, разработанного на кафедре экспериментальной физики РУДН. Важно отметить, что активное участие в создании практикума принимали студенты старших курсов.


    1. ^ Спектроскопия в видимой области.

Излучение, испускаемое любым источником, несет в себе богатую информацию о его химическом составе, агрегатном состоянии, температуре, о физических и химических процессах, протекающих в нем, а также о физических свойствах среды, в которой распространяется излучение. Эта информация закодирована в сравнительно легко измеряемых параметрах – мощности излучения в отдельных участках спектра, в ширине и форме наблюдаемых спектральных линий. Однако спектрометрические и спектроаналитические методы весьма трудоемки и требуют большого количества однотипных операций, поэтому задачи спектрометрии представляют собой обширное поле для автоматизации измерений и вычислений.

В настоящей работе была произведена компьютерная калибровка спектрографа СТЭ 1 со скрещенной дисперсией по длинам волн. В качестве детектора использовался ФЭУ 39А, расчитанный на работу в области 1600 – 6000 Ǻ, поэтому удалось провести исследования в видимой и ультрафиолетовой области спектра. В дальнейшем планируется задействовать ФЭУ-115М на область 6000 - 7500 Ǻ, а также черно-белую CCD камеру WAT-902H на область 4500 - 9000 Ǻ, уменьшить шаг перемещений и автоматизировать перемещения в вертикальном направлении, а также произвести калибровку спектрографа по интенсивности. Результаты работы могут быть использованы в дальнейшем не только в учебной и научно-исследовательской работе, но и в промышленности.


    1. ^ Изучение спектральных характеристик образцового источника света.

Целью настоящей работы является энергетическое исследование и калибровка монохроматора при помощи эталонного источника, (лампы с вольфрамовой нитью), и получение кривой распределения мощности излучения. По полученным распределениям интенсивности излучения (или мощности) можно будет сделать вывод, в какой области шкалы электромагнитных волн, получаемый монохроматором спектр соответствует истинному значению. Далее, с учетом калибровки, можно будет проводить спектральный анализ.

В работе используется монохроматор МУМ-2, рабочим телом которого является вогнутая дифракционная решетка. В качестве источника излучения применена вольфрамовая лампа СИРШ 6-40. Источник излучения размещен в закрытом кожухе. Управление монохроматором и регистрация сигнала фотоприемника осуществляется DAQ-картой NI DAQ 6024E в комплекте с блоком BNС 2120. Шаговый двигатель, подсоединенный к рукоятке переключателя длины волны, позволяет производить измерения в автоматическом режиме. С помощью счетчика импульсов DAQ-карты производится измерение интенсивности излучения, пропорциональной частоте следования импульсов.

Прибор позволяет автоматически измерять интенсивность излучения в диапазоне 315…1200 нм. Результат измерений выводится на графике виртуального прибора. Спектральное разрешение составляет 1 нм, однако, существует резерв для увеличения разрешения и проведения более точного спектрального анализа. В перспективе планируется решение задачи абсорбционного анализа неизвестных поглотителей по узким линиям спектра. Для этого предстоит определить аппаратную функцию монохроматора


    1. ^ Изучение естественного и магнитного вращения плоскости поляризации света.

Целью работы является изучение закона Фарадея и его применение в оптике для исследования явления естественного вращения плоскости поляризации света по закону Малюса и эффекта вращения плоскости поляризации света в оптических средах во внешнем продольном магнитном поле, а также определение постоянной Верде.

Структурная схема экспериментальной установки приведена на рис.1. В качестве источника монохроматического света используется лазер ЛГН-27, работающий на длине волны 632,8 нм. Имеется возможность использования трех рабочих тел: кварц (SiO2), тяжелый флинт (PbSiO2), водный раствор сахара. Для обеспечения протяженного магнитного поля высокой степени однородности используется соленоид длиной 400 мм.

Пучок света проходит через образец и попадает на призму Воластона, в которой он разделяется на обыкновенный и необыкновенный лучи. Интенсивность каждого из лучей измеряется фотодетекторами. Разность интенсивностей этих лучей, пропорциональная углу поворота плоскости поляризации, измеряется компаратором. Сигнал с компаратора через коннекторный блок BNC 2120 поступает на аналоговый вход платы NI DAQ 6024E, оцифровывается и вводится в память компьютера. Алгоритм разработанной программы позволяет контролировать состояние измерительной системы, сигнализировать и предотвращать нештатные ситуации (перегрев соленоида, выход из строя элементов схемы и пр.). Получаемые экспериментальные зависимости отображаются на дисплее и сохраняются в файлах, доступных для обработки в любом текстовом редакторе.




Рис. 1. Стенд лабораторной работы “Изучение естественного и магнитного

вращения плоскости поляризации света”


В перспективе планируется использовать в качестве источника излучения монохроматор, на вход которого поступает свет источника с линейчатым спектром, например ртутной лампы. Это позволит проводить наблюдения эффектов поворота плоскости поляризации для различных длин волн.


    1. ^ Проведение абсолютной спектрометрической и радиометрической калибровки в области рентгеновского и гамма-излучения.

Иногда в физических лабораториях имеется специализированное измерительное оборудование, обладающее высокими техническими характеристиками, но требующее от оператора огромного количества вычислений с использованием калибровочных таблиц и графиков. В таком случае автоматизация измерений, основанная на сопряжении с компьютером способна поднять прибор на качественно новый уровень и дать ему вторую жизнь. Ярким примером тому является настоящая работа.

Целью работы является исследование источников гамма-излучения сцинтилляционным методом при помощи анализатора импульсов АИ-1024-95.



Рис. 2 Стенд лабораторной работы “Проведение абсолютной спектрометрической и радиометрической калибровки в области рентгеновского и гамма-излучения ”


Основными частями лабораторной установки, показанной на рис. 2, являются блок детектирования, анализатор импульсов, персональный компьютер, оборудованный картой сбора данных и средой LabVIEW. В качестве источников ионизирующих излучений используется комплект образцовых спектрометрических гамма-источников. Блок детектирования регистрирует гамма-кванты и передает импульсный сигнал на анализатор импульсов. Кодированный сигнал с выхода анализатора импульсов через блок согласования подается на вход карты сбора данных.

Алгоритм разработанной программы после чтения спектра с выхода АИ 1024 или из ранее созданного файла обеспечивает сглаживание спектра и поиск максимумов интенсивности. После этого последовательно выполняются процедуры энергетической калибровки по излучению известного изотопа, математической аппроксимации и, собственно, радиометрии, т.е. определения активности изотопа.


  1. ^ Радиофизический и радиотехнический практикум.

Разработка устройств и систем радиотехнического профиля ведется, как правило, на компьютерах, поэтому и учебный процесс все в большей степени оснащается компьютерными системами для уменьшения разрыва между полученными знаниями и навыками студентов и требованиями их будущих работодателей. В связи с этим роль и значение традиционных измерительных технологий и приборов постоянно снижается, а на передний план выходят компьютерные приборы и системы сбора данных. Поэтому современный специалист в области электронной техники должен владеть и традиционными, и компьютеризированными средствами измерений.


    1. ^ Исследование свойств магнитных материалов.

Целью работы является экспериментальное исследование свойств и характеристик ферромагнетиков.

Как известно, любое вещество, помещенное во внешнее магнитное поле, приходится в особое состояние намагниченности, характеризующееся возникновением в нем добавочного магнитного поля. По интенсивности и характеру намагниченности вещества подразделяются на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. В ферромагнетиках эффект намагниченности проявляется наиболее сильно.

В первом упражнении лабораторной работы предлагается исследовать реакцию катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником на силу тока через катушку. Для этого сначала графический экран лабораторной установки устанавливают в режим линейной развертки, что позволяет наблюдать временные зависимости (эпюры, рис. 3,а) сигналов. Форма сигнала источника тока должна быть близка к гармонической. В качестве исследуемого образца используется ферритовый тор типоразмера К20*10*5. Датчиком тока служит резистор, включенный последовательно с катушкой и источником тока.

Для наблюдения динамической вольтамперной характеристики катушки индуктивности экран лабораторной установки необходимо перевести в режим круговой развертки. В этом режиме по горизонтальной оси будет откладываться ток, а по вертикальной оси – падение напряжения на катушке. Если ферромагнитный сердечник катушки индуктивности не находится в насыщении, изображение вольтамперной характеристики напоминает эллипс, в противном случае картина сильно искажается и приобретает вид ромба. Показанные на рис.3,б. кривые соответствуют трем различным амплитудным значениям тока намагничивания катушки. Изображение петли гистерезиса, получаемое на графическом экрана лабораторной установки, показано на рис. 3,в.






Рис.3 Эпюры тока и напряжения на катушке индуктивности с ферромагнитным сердечником (а), динамические вольтамперные характеристики катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником (б), изображение петли гистерезиса ферромагнитного материала (в), панель управления лабораторной установкой для исследования температурной зависимости магнитной проницаемости ферромагнетиков (г).


Внешний вид панели управления лабораторной установкой, предназначенной для исследования температурной зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных материалов, показан на рис. 3,г. В основе работы установки лежит самовозбуждение генератора, в цепи обратной связи которого включен LC-контур с сердечником из ферромагнитного материала. При нагревании сердечника величина индуктивности катушки изменяется, что ведет к изменению собственной резонансной частоты контура. Таким образом, из измерения частоты генерации определяется температурная зависимость магнитной проницаемости.


    1. ^ Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов.

Внешний вид панели управления лабораторной установки показан на рис.4,а. Как видно, лабораторная установка позволяет в автоматическом режиме подключить для исследования любой из представленных на панели управления 16 полупроводниковых диодов. Для этого достаточно поставить метку напротив соответствующего наименования диода и его вольтамперная характеристика в виде кривой соответствующего цвета отобразится на графическом экране.

В процессе выполнения первого упражнения необходимо определить величину напряжения открывания электрического перехода диода в зависимости от материалов, которые использовались при изготовлении диода. Во втором упражнении предлагается исследовать вольтамперные характеристики стабилитронов и стабисторов. Данные типы диодов применяются в основном в схемах источников опорного, высокостабильного напряжения. При использовании стабисторов рабочую точку выбирают на прямой ветви вольтамперной характеристики, а напряжение стабилизации соответствует напряжению открывания электрического перехода. Как правило, это напряжение у стабисторов не превышает 2,5 В. Для получения более высокого значения опорного напряжения применяют стабилитроны. В этом случае рабочую точку выбирают на обратной ветви



а)



б)



в)



Рис. 4.



Панель управления лабораторным стендом для исследования вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов (а), исследование вольтамперных характеристик стабилитронов и стабисторов (б), исследование вольтамперной характеристики туннельного диода (в).

вольтамперной характеристики, а напряжение стабилизации соответствует напряжению пробоя электрического перехода. При этом можно наблюдать два типа пробоя: туннельный и лавинный. Туннельный пробой наблюдается у стабилитронов с напряжением стабилизации менее 6 В, лавинный пробой наблюдается у стабилитронов с напряжением стабилизации, как правило, более 6 В. Изображение лабораторного стенда при исследовании вольтамперных характеристик стабилитронов и стабисторов приведено на рис.4,б. Вольтамперную характеристику туннельного диода предлагается исследовать в третьем упражнении. Изображение лабораторного стенда при исследовании этой характеристики приведено на рис.4,в.


    1. ^ Виртуальный лабораторный практикум “Основы радиотехнических измерений”

Предлагаемый компьютерный лабораторный практикум основан на моделях и имитации действия реальных измерительных приборов и лабораторных установок, содержит типовой набор лабораторных работ по курсу “Основы радиотехнических измерений”. Практикум направлен на знакомство студентов с основными приборами физической лаборатории, приобретение навыка работы с этими приборами и освоение основных методов измерений. Используемые в практикуме виртуальные приборы и установки дают представление о требуемом минимальном составе современной измерительной лаборатории. Перечень лабораторных работ, лабораторных установок и стендов практикума приведен в табл. 1.


Табл. 1 Перечень работ виртуального практикума “Основы радиотехнических измерений”

№ лаб. работы

№ лаб. стенда

^ Название лабораторной установки и стенда

1.

1.

Измерение сопротивлений методом амперметра-вольметра.

2.

2.

Лабораторный макет резистивного моста Уитстона.

3.

Измерение сопротивлений с помощью резистивного измерительного моста.

3.

4.

Измерение полного сопротивления резонансным методом.

4.

5.

Двухканальный универсальный осциллограф.

6.

Измерение частоты электрических колебаний с помощью осциллографа.

7.

Измерение фазового сдвига электрических колебаний с помощью осциллографа.

5.

8.

Измерение комплексного коэффициента передачи электронных схем методом трех вольтметров.

9.

Измерение комплексного коэффициента передачи электронных схем с помощью двухканального осциллографа.

10.

Измерение комплексного коэффициента передачи электронных схем с помощью панорамного измерителя АЧХ и ФЧХ.

6.

11.

Исследование спектрального состава периодических электрических сигналов.



  1. Работы для специального инженерного практикума.

При изучении как физических, так и инженерных дисциплин, одной из важных методических проблем является отсутствие наглядных зрительных образов способствующих лучшему восприятию материала. Ниже приведены примеры использования аппаратных комплексов National Instruments и программных средств Labview для автоматизации и визуализации прикладных задач по теплофизике и сопротивлению материалов.


    1. ^ Автоматизированный лабораторный стенд для изучения теплофизических свойств металлов.

Работа представляет собой полностью автоматизированный лабораторный стенд по изучению теплофизических свойств металлов с возможностью измерений и управления в режиме удаленного доступа.

Установка состоит из сменных металлических стержней цилиндрической формы изготовленных из различных металлов (исследуемые образцы). Один конец стержня закреплен в электронагревателе. Вдоль стержня расположены пять термодатчиков. Сигналы термодатчиков подаются на аналоговые входы DAQ карты. Малая инертность датчиков в сочетании с высокой скоростью обработки информации позволяет контролировать и отображать процесс в реальном времени.


    1. ^ Автоматизированный стенд для измерения модуля упругости.

В работе представлен автоматизированный стенд измерения модуля упругости плоской металлической пластины в условиях деформации прямого изгиба.

Стенд состоит из штатива, на котором закреплена упругая пластина. На этой пластине установлены 5 тензорезисторов. Каждый тензорезистор включен в мостовую схему. Выходной сигнал поступает на аналоговые входы многофункциональной платы сбора данных NI DAQ. На свободном конце пластины закреплен постоянный магнит. Пластина изгибается под действием магнитного поля электромагнита. Ток электромагнита регулируется сигналом с аналогового выхода платы NI DAQ.


  1. ^ Модернизация работ общефизического практикума.

Одним из приоритетных направлений применения технологий National Instruments в вузах является модернизация старых морально устаревших практикумов. Ниже приведен пример внедрения современных технологий при создании автоматизированного лабораторного стенда для изучения колебательной системы.

В работе изучаются закономерности свободных колебаний физического маятника, колебаний двух идентичных маятников при наличии упругой связи и вынужденных колебаний системы маятников под действием внешней периодической силы. В настоящей работе в качестве детектора взамен счетчика колебаний и таймера применяется датчик ускорения. Это позволяет получать более полную информацию о движении маятника. На основании измеренной зависимости угла отклонения от времени рассчитаны и наглядно продемонстрированы зависимости угловой скорости и углового ускорения маятника. Производится оценка моментов сухого и вязкого трения в системе.


  1. ^ Техно-центр РУДН.

В 2004 г. силами сотрудников кафедры при поддержке корпорации National Instruments был создан образовательный центр, оснащенный современным проекционным и сетевым оборудованием для проведения лекционных и практических занятий. Дисплейный класс (рис. 5), рассчитанный на десять рабочих мест, оборудован платами сбора данных производства National Instruments, работающими под управлением Labview. В конце 2004 г. центр получил официальный статус авторизованного учебного центра National Instruments. Сотрудниками центра разработаны курсы “Компьютерные технологии в науке и образовании”, “Основы автоматизации измерений”. Обучение проводится опытными преподавателями, сертифицированными компанией National Instruments. В центре проводятся занятия для студентов РУДН и сторонних слушателей.

В
настоящее время в стадии разработки находится web-сайт, на котором будет представлена подробная информация по всем видам деятельности центра.


Рис. 5. Техно-центр РУДН.


В заключение следует отметить, что “Центр прикладных информационных технологий РУДН” кроме образовательных программ нацелен также на тесное взаимодействие с предприятиями и исследовательскими коллективами, заинтересованными во внедрении современных технологий автоматизации измерений и производственных циклов. С этой точки зрения центр имеет существенный потенциал развития.

Работа выполнена при поддержке ведомственной программы “Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)”




Скачать 146,76 Kb.
оставить комментарий
Дата28.09.2011
Размер146,76 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх