近年來，大學物理實驗教學內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，利用虛擬仿真技術和單片機技術設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備得到廣大師生的關注。本文研發出一種基于LabVIEW虛擬仿真平臺和濁度傳感器的新型擴散系數測量裝置，該裝置具有結構簡單、操作方便和成本低廉的優點，為物質擴散系數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，并對實驗結果進行了詳細的誤差分析，得到牛奶在室溫下的擴散系數測量值為D=(8.28±0.06)×10-9m2/s。

關鍵詞擴散系數；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

大學物理實驗課程是教育部獨立設置的六門主要基礎課程之一，教育部對大學物理實驗課程教學改革要求指出，要逐步利用數字化與計算機技術推動教學內容的改革、加快綜合實驗的開發、培養學生分析問題和解決問題的能力，進一步拓展學生的創新型思維、要充分發揮多元化教學模式，利用包括網絡技術和虛擬仿真技術等在內的現代教育技術推動教學模式和方法改革[1-4]。然而，目前大多數本科院校開設的大學物理實驗主要以基礎性實驗為主，綜合設計性實驗較少。隨著大學物理實驗教學不斷改革，教學技術逐步改進，虛擬實驗儀器的設計、現有儀器的改進和新實驗設備的開發成為當下研究的焦點。

近年來，廣大高校實驗教學人員主要開展了虛擬儀器的開發和現有儀器改進這兩方面的研究。一方面利用LabVIEW, MATLAB，Flash和Unity 3D等軟件進行虛擬仿真實驗的設計，例如：基于LabVIEW的大學物理實驗教學系統[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，針對牛頓環實驗的改進、拉伸法測楊氏模量設備的改進和毛細管法測流體黏度實驗裝置的設計與改進等成果相繼被報道[8-10]。然而，對于新實驗設備的開發還很少涉及。

物質分子從高濃度區域向低濃度區域轉移直到均勻分布的現象稱為擴散現象。廣泛出現在生物化工、煤炭生產和環境污染控制等領域[11]。擴散系數是分子擴散與分子濃度梯度之間的比例常數，它是影響擴散現象的一個重要因素[12]。因此，準確測量擴散系數對于擴散現象的研究至關重要。目前，實驗室主要采用毛細管成像法和激光干涉法等傳統方法實現擴散系數的測量[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在毛細管中的移動規律?；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開發平臺和濁度傳感器設計并研發出一套擴散系數測量裝置，該裝置具有響應時間短、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進行測量。