近年來，大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容和模式的改革成為各高校實驗工作者研究的焦點。特別的，利用虛擬仿真技術(shù)和單片機技術(shù)設(shè)計的具有實驗效率高、測試項目廣和操作簡單等特點的實驗設(shè)備得到廣大師生的關(guān)注。本文研發(fā)出一種基于LabVIEW虛擬仿真平臺和濁度傳感器的新型擴散系數(shù)測量裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便和成本低廉的優(yōu)點，為物質(zhì)擴散系數(shù)的測量開辟了一條新途徑。以牛奶在水中的擴散為例，測試了牛奶的擴散系數(shù)，并對實驗結(jié)果進行了詳細的誤差分析，得到牛奶在室溫下的擴散系數(shù)測量值為D=(8.28±0.06)×10-9m2/s。

關(guān)鍵詞擴散系數(shù)；濁度傳感器；LabVIEWDEVELOPMENT AND APPLICATION OF DIFFUSION

COEFFICIENT MEASUREMENT DEVICE BASED ON

LABVIEW AND TURBIDITY SENSORXIAN TaoDI LijingSUN XiaofengSUN ChenyangLI Jiayue

(College of Physics and Electronic Information Engineering, Qinghai Normal University, Xining, Qinghai 810008)

AbstractRecently, the innovation of the teaching content and mode for university physics experiment has been considered to be the focus of the investigation. Particularly, employing virtual simulation technology and single-chip microcomputer technology designed experimental equipment with high experimental efficiency, wide measurement range and simple operation characteristics has been attracted a great deal of attentions. In this paper, a new diffusion coefficient measurement device based on the LabVIEW and turbidity sensor is developed, which has the advantages of simple structure, convenient operation and low cost. This device provided a novel route for the measurement of material diffusion coefficient. Milk was selected as a target sample, and its diffusion coefficient in water was measured based on this device. The error analysis of the result was performed, and the diffusion coefficient of milk at room temperature was obtained to be (8.28±0.06)×10-9m2/s in the present work.

Key wordsdiffusion coefficient; turbidity sensor; LabVIEW

大學(xué)物理實驗課程是教育部獨立設(shè)置的六門主要基礎(chǔ)課程之一，教育部對大學(xué)物理實驗課程教學(xué)改革要求指出，要逐步利用數(shù)字化與計算機技術(shù)推動教學(xué)內(nèi)容的改革、加快綜合實驗的開發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，進一步拓展學(xué)生的創(chuàng)新型思維、要充分發(fā)揮多元化教學(xué)模式，利用包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)等在內(nèi)的現(xiàn)代教育技術(shù)推動教學(xué)模式和方法改革[1-4]。然而，目前大多數(shù)本科院校開設(shè)的大學(xué)物理實驗主要以基礎(chǔ)性實驗為主，綜合設(shè)計性實驗較少。隨著大學(xué)物理實驗教學(xué)不斷改革，教學(xué)技術(shù)逐步改進，虛擬實驗儀器的設(shè)計、現(xiàn)有儀器的改進和新實驗設(shè)備的開發(fā)成為當下研究的焦點。

近年來，廣大高校實驗教學(xué)人員主要開展了虛擬儀器的開發(fā)和現(xiàn)有儀器改進這兩方面的研究。一方面利用LabVIEW, MATLAB，F(xiàn)lash和Unity 3D等軟件進行虛擬仿真實驗的設(shè)計，例如：基于LabVIEW的大學(xué)物理實驗教學(xué)系統(tǒng)[5]、基于Matlab的激光脈寬測量實驗[6]和基于Unity3D的光柵自成像虛擬仿真實驗[7]。另一方面，針對牛頓環(huán)實驗的改進、拉伸法測楊氏模量設(shè)備的改進和毛細管法測流體黏度實驗裝置的設(shè)計與改進等成果相繼被報道[8-10]。然而，對于新實驗設(shè)備的開發(fā)還很少涉及。

物質(zhì)分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域轉(zhuǎn)移直到均勻分布的現(xiàn)象稱為擴散現(xiàn)象。廣泛出現(xiàn)在生物化工、煤炭生產(chǎn)和環(huán)境污染控制等領(lǐng)域[11]。擴散系數(shù)是分子擴散與分子濃度梯度之間的比例常數(shù)，它是影響擴散現(xiàn)象的一個重要因素[12]。因此，準確測量擴散系數(shù)對于擴散現(xiàn)象的研究至關(guān)重要。目前，實驗室主要采用毛細管成像法和激光干涉法等傳統(tǒng)方法實現(xiàn)擴散系數(shù)的測量[13,14]。其中用毛細管成像法是采用透明毛細管作為液相擴散池，通過其獨特的折射率空間分辨測量性能，可以直接觀察和記錄擴散介質(zhì)在毛細管中的移動規(guī)律?；诖送瓿闪藢Ρ己图兯g的擴散過程的研究[13]。然而，這些測量方法存在步驟繁雜、取樣量大和取樣間隔不均勻等缺點。為了彌補以上不足，本文基于LabVIEW開發(fā)平臺和濁度傳感器設(shè)計并研發(fā)出一套擴散系數(shù)測量裝置，該裝置具有響應(yīng)時間短、易于操作和自動化程度高等特點。并以室溫下牛奶在水中的擴散為例，利用該實驗裝置對牛奶的擴散系數(shù)進行測量。