YYVIP易游基于LabVIEW和浊度传感器的扩散系数测量装置的研发与应用

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　　近年来，大学物理实验教学内容和模式的改革成为各高校实验工作者研究的焦点。特别的，利用虚拟仿真技术和单片机技术设计的具有实验效率高、测试项目广和操作简单等特点的实验设备得到广大师生的关注。本文研发出一种基于LabVIEW虚拟仿真平台和浊度传感器的新型扩散系数测量装置，该装置具有结构简单、操作方便和成本低廉的优点，为物质扩散系数的测量开辟了一条新途径。以牛奶在水中的扩散为例，测试了牛奶的扩散系数，并对实验结果进行了详细的误差分析，得到牛奶在室温下的扩散系数测量值为D=(8.28±0.06)×10-9m2/s。

　　大学物理实验课程是教育部独立设置的六门主要基础课程之一，教育部对大学物理实验课程教学改革要求指出，要逐步利用数字化与计算机技术推动教学内容的改革、加快综合实验的开发、培养学生分析问题和解决问题的能力，进一步拓展学生的创新型思维、要充分发挥多元化教学模式，利用包括网络技术和虚拟仿真技术等在内的现代教育技术推动教学模式和方法改革[1-4]。然而，目前大多数本科院校开设的大学物理实验主要以基础性实验为主，综合设计性实验较少。随着大学物理实验教学不断改革，教学技术逐步改进，虚拟实验仪器的设计、现有仪器的改进和新实验设备的开发成为当下研究的焦点。

　　近年来，广大高校实验教学人员主要开展了虚拟仪器的开发和现有仪器改进这两方面的研究。一方面利用LabVIEW, MATLAB，Flash和Unity 3D等软件进行虚拟仿真实验的设计，例如：基于LabVIEW的大学物理实验教学系统[5]、基于Matlab的激光脉宽测量实验[6]和基于Unity3D的光栅自成像虚拟仿线]。另一方面，针对牛顿环实验的改进、拉伸法测杨氏模量设备的改进和毛细管法测流体黏度实验装置的设计与改进等成果相继被报道[8-10]。然而，对于新实验设备的开发还很少涉及。

　　物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移直到均匀分布的现象称为扩散现象。广泛出现在生物化工、煤炭生产和环境污染控制等领域[11]。扩散系数是分子扩散与分子浓度梯度之间的比例常数，它是影响扩散现象的一个重要因素[12]。因此，准确测量扩散系数对于扩散现象的研究至关重要。目前，实验室主要采用毛细管成像法和激光干涉法等传统方法实现扩散系数的测量[13,14]。其中用毛细管成像法是采用透明毛细管作为液相扩散池，通过其独特的折射率空间分辨测量性能，可以直接观察和记录扩散介质在毛细管中的移动规律。基于此完成了对丙三醇和纯水间的扩散过程的研究[13]。然而，这些测量方法存在步骤繁杂、取样量大和取样间隔不均匀等缺点。为了弥补以上不足，本文基于LabVIEW开发平台和浊度传感器设计并研发出一套扩散系数测量装置，该装置具有响应时间短、易于操作和自动化程度高等特点。并以室温下牛奶在水中的扩散为例，利用该实验装置对牛奶的扩散系数进行测量。

　　其中，C(x,y,z,t)为t时刻待测溶液在空间R(x,y,z)处的浓度，D表示扩散系数。

　　众所周知，物质浓度对其物性影响较为明显，导致物质的浓度与浊度往往会在较大范围内呈现出非线性关系。然而，在一定范围内物质的浓度与浊度会表现出线]。因此，假设某溶度浓度C(x,y,z)在某范围内与溶度浊度(T浊度)之间的关系为

　　本实验以25℃条件下纯牛奶(标准号：GB 25190)在水中的扩散为例，测试一定浓度范围内牛奶的扩散系数。由理论分析式(6)可知，要求解牛奶在水中的扩散系数，必须要建立牛奶浓度与其浊度的关系式。为了获得此关系，本实验组分别配置了不同浓度的牛奶溶液，测定其浓度与浊度之间的关系(标准曲线)。分别配置体积浓度为0%，2%，4%，6%，…，18%和20%的牛奶溶液100mL，将浊度传感器置于其中，测定与浓度对应的浊度值，如表1所示。

　　以牛奶的浓度为横坐标，浊度平均值为纵坐标作图(图1)。由图1可知，当牛奶浓度处于2%~8%之间时，浓度与浊度呈现出正比例关系。然而，当牛奶浓度大于8%时，浓度与浊度之间出现非线性关系。可见实验结果与理论部分分析相一致。因此，选择在2%~8%区间内进一步细化牛奶浓度梯度，并测量其浊度。实验数据如表2所示。同样获得浊度与牛奶浓度的关系图，如图2所示。

　　由理论推导可知，物质的扩散系数与其在溶液中的浊度平方成反比例关系。因此，要获知物质的扩散系数可通图3扩散系数测量装置设计示意图过测量其在溶液中的浊度来实现。根据上述分析，本实验组设计出一套基于浊度传感器和LabVIEW开发平台的扩散系数测量装置，设计示意图如图3所示。本装置由浊度传感器(12个)、数据采集器、水槽和上位机系统等组成。12个浊度传感器分布于仪器支架上。数据采集模块处于支架顶端，高出水槽一定的距离。本实验是在一个直径为20cm的水槽中进行。12个浊度传感器中A，B和C三个传感器距样品注入口距离最小且相等，可视为安装在同一圆周上，称之为第一测量梯度，同理D，E和F浊度传感器称之为第二测量梯度，G，H和I浊度传感器称之为第三测量梯度，J，K和M浊度传感器称之为第四测量梯度。每个梯度的测量值是三个浊度传感器获得数据的平均值。当待测溶液滴入样品注入口后，

　　上位机开始采集数据并计时，此过程中可观察物质的扩散现象，同时四个测量梯度采集到的浊度数据实时传输给上位机系统。一定时间后数据趋于稳定，此时读取实验相关数据并计算实验结果。

　　本实验装置(见图4)所需硬件包括：数据采集器、浊度传感器、水槽和支架等。所需软件包含C语言编写的下位机操控程序和利用LabVIEW平台设计的上位机系统。

　　本模块利用STM32F10X型开发板进行设计(见图5)，开发板由供电模块、数据采集模块和12个浊度传感器接线端组成，通信协议为串口通信。图5(a)和图5(b)为STM32F10X型开发板的电路图和结构示意图。由图可知，开发板具有充足的端口，能够满足本系统的研发。图5(c)和图5(d)是本文设计的数据采集模块电路图和电路板结构图。图5(e)为数据采集模块实物照片。

　　利用C语言编写数据采集模块的操控程序。为使程序结构简单、任务明确、易于编写、调试和修改，本系统采用模块化程序设计。具体包含以下几个功能模块：初始化模块、传感器检测模块、AD转换模块、数据发送/接收模块和串口通信模块等。

　　浊度传感器是利用光学原理，测试溶液的透光率和散射率，综合判断溶液的浊度。由于浊度值是渐变量，通常在动态环境下对其进行检测。该传感器采集的数据经由外接控制进行AD转换，换算得到相应环境下的浊度值。本装置所用浊度传感器(见图6)的型号为TSW-30，该传感器具有响应时间短(500ms)，测试范围广(0~1000NTU)和适应环境性强(工作温度：-30~80℃)等特点。

　　本文利用LabVIEW开发平台设计出实验装置的上位机系统。本系统由三部分组成：登录界面(图7(a))、数据监测界面(图7(b))和实验报告界面(图7(c))。图7(d)是本系统的程序运行图。登录界面主要是提醒用户在实验开始前输入个人信息，一方面记录使用者的信息，另一方面为生成实验报告做准备。数据监测界面主要完成浊度值显示、数据调零、平均值计算、时间记录和数据转换处理等功能。实验报告界面主要显示所涉及公式、实验参数和实验结果，兼具学生成绩输出和实验报告生成功能。

　　（1） 向水槽中注入2.35L蒸馏水(此时液面已没过顶层传感器)，将实验装置与电脑建立连接，打开仪器电源，启动上位机系统，预热10分钟。

　　（3） 向装置的样品注入口加入150mL的纯牛奶(在蒸馏水中扩散均匀后，其牛奶浓度处于标准曲线区间内)，同时上位机启动时间计时器。

　　（4） 观察牛奶在水中的扩散现象，当计时器达到3600秒时上位机自动停止采集数据，在数据监测界面上读取浊度数据。

　　(5) 将测量浊度数据代入扩散系数化简公式(14)得到牛奶的扩散系数D。

　　(7)将实验结果输入上位机实验报告界面，提交实验结果，系统会自动将输入的实验结果与上位机计算结果进行对比，点击报告生成按钮获得实验报告。

　　(8) 实验结束退出上位机系统，断开仪器电源和数据连接线，将测试仪器从水槽中取出，倒出水槽中的溶液，将仪器和水槽清洗干净。

　　本仪器分辨率为1NTU，所引起的极限误差为0.5NTU，服从均匀分布，包含因子

　　4.1.4 以上各输入量彼此独立，互不影响，所以仪器的示值误差测量结果不确定度

　　4.1.5 在大学物理实验中，根据我国规定通常取置信概率P=0.95，k=2，则扩展不确定度

　　本实验测量次数n=11，查表可知P=0.683时,tp≈1，在大多数多数物理实验中，一般取tp=1，则

　　本文首先通过理论分析与推导，发现物质的扩散系数与其在溶液中的浊度平方成反比例关系，并推导出一定浓度范围内(2%~8%)具体物质(牛奶)的扩散系数与其浊度的关系式。基于理论分析，设计并研发出一套基于浊度传感器和LabVIEW仿真平台的扩散系数测量装置。以牛奶在水中的扩散为例，进行数据测量，并开展了结果的不确定度分析，最终获得牛奶在室温下扩散系数的测量值为D=(8.28±0.06)×10-9m2/s。本扩散系数测量装置具有结构简单、操作方便和成本低廉的特点，为物质扩散系数的测量提供了一种新的方法和设备。

　　[1]彭川来. 民办高校大学物理实验模块式教学改革与探索——以闽南理工学院为例[J]. 大学物理实验, 2018, 31(3): 112-114.

　　[16]李红莉. CMM尺寸测量不确定度模型与评定方法[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2015.

　　作者简介: 县涛，男，青海师范大学副教授，主要从事光催化和虚拟仿真技术研究,研究方向为虚拟仿真技术，。

　　通讯作者: 邸丽景，女，青海师范大学副教授，主要从事大学物理实验研究,研究方向为虚拟仿真技术，。

　　引文格式: 县涛，邸丽景，孙小锋，等. 基于LabVIEW和浊度传感器的扩散系数测量装置的研发与应用[J]. 物理与工程，2023，33（1）：120-127.

　　吴国祯教授：我的国外研究生经历印象——应清华大学物理系“基科班20年·学堂班10年纪念活动”而写

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　　原标题：《基于LabVIEW和浊度传感器的扩散系数测量装置的研发与应用》

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