近年來，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和模式的改革成為各高校實(shí)驗(yàn)工作者研究的焦點(diǎn)。特別的，利用虛擬仿真技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的具有實(shí)驗(yàn)效率高、測試項(xiàng)目廣和操作簡單等特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(diǎn)，為物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的測量開辟了一條新途徑。以牛奶在水中的擴(kuò)散為例，測試了牛奶的擴(kuò)散系數(shù)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的誤差分析，得到牛奶在室溫下的擴(kuò)散系數(shù)測量值為D=(8.28±0.06)×10-9m2/s。

關(guān)鍵詞擴(kuò)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(shí)驗(yàn)課程是教育部獨(dú)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(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革要求指出，要逐步利用數(shù)字化與計(jì)算機(jī)技術(shù)推動教學(xué)內(nèi)容的改革、加快綜合實(shí)驗(yàn)的開發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，進(jìn)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(shí)驗(yàn)主要以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少。隨著大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷改革，教學(xué)技術(shù)逐步改進(jìn)，虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)、現(xiàn)有儀器的改進(jìn)和新實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)成為當(dāng)下研究的焦點(diǎn)。

近年來，廣大高校實(shí)驗(yàn)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(jìn)這兩方面的研究。一方面利用LabVIEW, MATLAB，F(xiàn)lash和Unity 3D等軟件進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，例如：基于LabVIEW的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[5]、基于Matlab的激光脈寬測量實(shí)驗(yàn)[6]和基于Unity3D的光柵自成像虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[7]。另一方面，針對牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)、拉伸法測楊氏模量設(shè)備的改進(jìn)和毛細(xì)管法測流體黏度實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)等成果相繼被報(bào)道[8-10]。然而，對于新實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(kuò)散系數(shù)是分子擴(kuò)散與分子濃度梯度之間的比例常數(shù)，它是影響擴(kuò)散現(xiàn)象的一個重要因素[12]。因此，準(zhǔn)確測量擴(kuò)散系數(shù)對于擴(kuò)散現(xiàn)象的研究至關(guān)重要。目前，實(shí)驗(yàn)室主要采用毛細(xì)管成像法和激光干涉法等傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散系數(shù)的測量[13,14]。其中用毛細(xì)管成像法是采用透明毛細(xì)管作為液相擴(kuò)散池，通過其獨(dú)特的折射率空間分辨測量性能，可以直接觀察和記錄擴(kuò)散介質(zhì)在毛細(xì)管中的移動規(guī)律?；诖送瓿闪藢Ρ己图兯g的擴(kuò)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(diǎn)。為了彌補(bǔ)以上不足，本文基于LabVIEW開發(fā)平臺和濁度傳感器設(shè)計(jì)并研發(fā)出一套擴(kuò)散系數(shù)測量裝置，該裝置具有響應(yīng)時(shí)間短、易于操作和自動化程度高等特點(diǎn)。并以室溫下牛奶在水中的擴(kuò)散為例，利用該實(shí)驗(yàn)裝置對牛奶的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測量。