E.18.O.УЧЕБНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВВ.И. КорольковЦентр прикладных информационных технологий РУДН, Москва, e-mail: vkorolkov@sci.pfu.edu.ruВведение. Наиболее перспективным направлением модернизации лабораторной базы образовательных учреждений является интенсивное внедрение в учебный процесс виртуальных измерительных лабораторий, основанных на современных технологиях компьютерных измерений [1-2]. В настоящее время корпорация National Instruments выпускает серию недорогих USB-устройств сбора данных [3], позволяющих значительно снизить стоимость подобных лабораторий. Примером практического применения для этих целей многофункциональных DAQ-карт NI USB-6008/6009 может служить представляемый лабораторный учебный стенд, предназначенный для изучения основных свойств ферромагнитных материалов. Стенд позволяет наблюдать и анализировать динамические кривые намагничивания, исследовать температурные характеристики ферритов, изучать особенности прохождения сигналов по электрическим цепям с нелинейной катушкой индуктивности, снимать амплитудные и фазовые спектры сигналов. Оборудование. Лабораторный стенд построен на основе персонального компьютера с предустановленной операционной системой Windows XP и подключенной к USB 2.0-порту DAQ-карты NI USB-6009. Основные характеристики DAQ-карты приведены в таблице. Управление стендом производится программно из среды LabVIEW 7.0 с использованием аппаратного драйвера NI-DAQmx 7.5. количество диапазон разрешение частота Аналоговыевводы 4 DI или 8 SE -20…+20 В 14 бит 48000 отсчетов в секунду -10…+10 В 13 бит Аналоговыевыводы 2 0…+5 В 12 бит 150 отсчетов в секунду Цифровые линииввода/вывода 2 TTL, CMOS (8+4) бита Счетчик/таймер 1 TTL, CMOS 32 бита 5 МГц ^ Результаты работы. Представляемый учебный лабораторный стенд состоит из нескольких модулей. Функциональная схема модуля для изучения динамических характеристик ферромагнетиков приведена на рис.1. Поскольку используемая в лабораторном стенде DAQ-карта не способна самостоятельно генерировать достаточно высокочастотные синусоидальные сигналы, модуль дополнен внешним программно-управляемым генератором, построенном на основе микросхемы XR2206. Управление генератором осуществляется по выходным каналам DAQ-карты: для установки частоты в диапазоне от 1 Гц до 1 кГц задействованы цифровые линии, а для регулировки амплитуды используется один из аналоговых выводов. Исследуемый образец ферромагнитного материала представляет собой кольцо, имеющее две обмотки – намагничивающую и измерительную. Последовательно к намагничивающей обмотке включен датчик тока, преобразующий ток намагничивания в напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля в образце. Рис.1. Функциональная схема модуля для изучения динамических характеристик ферромагнетиков. Сигналы с обеих обмоток образца по входным аналоговым каналам DAQ-карты вводятся в компьютер, программно обрабатываются в среде LabVIEW и выводятся на графические экраны установки. Пример изображения панели управления лабораторной установкой в этом режиме приведен на рис.2. Рис.2. Фронтальная панель управления лабораторной установкой при изучении динамических характеристик ферромагнетиков. Как известно [4], при использовании индукционного метода для получения на графическом экране кривой намагничивания, необходимо по горизонтальной оси отложить сигнал, пропорциональный току и, соответственно, напряженности магнитного поля, а по вертикальной оси отложить сигнал, пропорциональный магнитной индукции. Для этого обычно сигнал с измерительной обмотки пропускают через интегрирующую фазосдвигающую цепочку. В данной установке для этих целей сигнал с вторичной обмотки программно пропускается через фильтр низких частот первого порядка с частотой среза на два порядка ниже, чем частота сигнала намагничивания. Помимо гистерезисной кривой намагничивания установка позволяет в реальном времени наблюдать за изменениями формы и спектрального состава сигналов на всех обмотках образца в зависимости от частоты и амплитуды напряжения намагничивания, регистрировать изменения фазового портрета катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником. Второй модуль лабораторной установки, панель управления которой изображена на рис.3, предназначен для исследования температурных характеристик ферритов и определения температуры (точки) Кюри. В ферримагнетиках, к которым относятся ферриты, при приближении к температуре Кюри происходит распад или восстановление областей спонтанного намагничивания – доменов, сопровождающийся резким изменением магнитной восприимчивости и проницаемости. Измерение начальной относительной магнитной проницаемости феррита проводится через измерение частоты самовозбуждения LC-генератора, в котором роль индуктивности играет катушка с заданным количеством витков и ферритовым сердечником в виде тора известного типоразмера. Катушка помещена в керамический тигель, нагреваемый электрической спиралью. Нагрев катушки и, соответственно, ферритового сердечника, контролируется температурным датчиком. Еще один температурный датчик измеряет температуру окружающего воздуха. Скорость нагрева или остывания исследуемого образца можно изменять, включив специальный вентилятор на обдув тигля. Рис.3. Панель управления установкой для изучения температурных свойств ферритов. Чтобы измерить частоту генерации LC-генератора, необходимо иметь два таймера-счетчика: один для подсчета количества частотных импульсов, а другой для измерения длительности интервала строба, в течение которого эти импульсы подсчитываются. Для подсчета импульсов здесь используется имеющийся в составе DAQ-карты быстродействующий счетчик, а для измерения длительности строба используются данные, полученные от системного таймера компьютера. Одновременно с подсчетом импульсов от генератора проводится снятие серии данных с температурных датчиков. Именно размер этой серии и скорость считывания температуры определяют в основном длительность строба. В процессе выполнения лабораторных работ ведется протокол исследования, который в виде файла-отчета сохраняется на жестком диске компьютера и может быть просмотрен при выходе из программы управления лабораторным стендом.^ Преимущества технологий National Instruments. Технологии корпорации National Instruments позволяют оперативно, в короткие сроки разрабатывать современные измерительные лабораторные стенды и установки с удобными интерактивными управляющими оболочками. Представленный здесь лабораторный стенд используется в РУДН при организации лабораторного практикума по курсам «Радиотехнические измерения» и «Основы теории цепей». Следует отметить, что оборудование National Instruments и технологии LabVIEW позволяют проводить лабораторные занятия как непосредственно в учебной лаборатории, так и удаленно с использованием сетевого доступа. Работа выполнена в рамках ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» 2005 года.Литература В.К. Батоврин и др. Учебная измерительная лаборатория с дистанционным доступом для общего и профессионального образования. «Телематика-2002». В.В. Андреев, Д.В. Чупров, В.И. Корольков. Технологии LabVIEW в преподавании техники физического эксперимента. Международная научно-практическая конференция «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments. Материалы конференции. Москва, Россия, ноябрь, 15, 2004.- М.:РУДН, 2004.- С.23-28. http://www.ni.com/dataacquisition/usb И.Н. Добротворский. Теория электрических цепей. Лабораторный практикум.- М.: Радио и связь, 1990. 216 с.