数据分析与处理

4．2．4　数据分析与处理

1）确定函数关系

在开发运用于教学的虚拟实验系统时，对于数据分析与处理功能这部分，重要的是如何确定各部分数据之间的函数关系。通常来讲，在大学物理实验教学中，基本的教学目的有两种，一种是对已知物理定律或公式进行验证；另一种是测量物质的某些物理量，分析和处理测量数据获得对物质特性等的了解。对于第一种情况，可以直接在程序中加入已知定律或公式中的函数关系，甚至是直接调用虚拟实验系统开发软件中自带的函数加以修改；对于第二种情况，一般的做法是由实验教师和设计者事先进行反复实验，将获得的实验数据进行计算获得数据之间的函数关系，再将这个函数关系写入程序中。

在“温度传感器特性的研究”虚拟实验项目的开发中，因为铂电阻、半导体热敏电阻等都是非常成熟的传感器材料，它们的温度-电阻特性已被人们基本掌握，即R（t）函数关系已非常清楚，例如铂电阻的温度-电阻关系式为：

R_T＝R₀（1＋AT＋BT²）

所以在程序中，直接将函数关系式写进去。在LabVIEW中，如果使用函数编写程序图形代码比较麻烦，因此采用公式节点的方法，如图4-4中的⑦所指，将函数形式写成符合LabVIEW的公式节点语法的形式：

Rt＝R＋R＊A＊T＋R＊B＊T＊＊2

在公式节点边框上创建输入端口R、A、B、T，输出端口R_t。当程序运行到公式节点处，为输入端口R、A、B、T分别赋值，经过公式节点的运算即在输出端口得到R_t的值。

2）随机数的巧妙运用

虚拟实验系统中的数据分析与处理功能是由计算机中的高级应用程序来完成的。在程序中，各部分数据之间的函数关系一旦给定之后，用户每次输入特定的初始值都将得到完全一致的精确结果。但是在实际的实验中，由于仪器、环境等各种因素，每次测量的结果是不可能完全一致的，并且由于实验误差总是存在的，实验结果必然存在着误差范围内的波动。在开发应用于教学的虚拟实验系统的时候，加入了随机数的运用。在程序中，将用户每次输入的初始值都加上一个控制在误差范围内的随机数，每次运行程序时随机数都在一定范围内随机取值，使得每次的实验结果都有一定的波动，从而避免了不同的学生使用虚拟实验系统做实验时总是得到相同的实验结果，也让学生充分认识到实验误差总是存在的，增加实验的可信性。

在“温度传感器特性的研究”虚拟实验项目的程序中，在给传感器温度-电阻特性参数A、B值赋值之前，加入了随机数的运用，如图4-4中的⑧所指，Random Number函数连续产生0～1的随机数，将这个随机数减去0．5，那么每次随机数取值保持在－0．5～0．5之间，可以产生数据上下波动的效果。

3）拟合计算

拟合计算是虚拟实验系统中数据分析与处理部分的重要功能。在实验中，得到的一般是一系列离散的数据点，利用虚拟实验系统开发软件中自带的各种曲线拟合功能可以对各类实验数据进行拟合，通常包括线性拟合、指数拟合、多项式拟合等。对这些数据按照合理的模型进行拟合处理，可以找出数据之间的内在关系，并以表格和曲线的形式表现出来，非常直观明了。在虚拟实验系统中，把这一功能附加进去，可以帮助学生更好地理解实验现象，认识物质特性，也是课后重复实验和撰写实验报告时分析和检验实验数据的有效工具。

在“温度传感器特性的研究”虚拟实验项目的拟合计算程序中，根据函数关系式R_T＝R₀（1＋AT＋BT²）的类型，决定选择二项式拟合。如图4-4中的⑨所示，使用Analysis中Curve Fitting子模板所包含的General Polynomial Fit子程序，实验数据R_t集合为二阶多项式曲线，返回结果为R_t拟合数据、多项式系数A、B以及拟合误差的均方根MSE。在这个实验中，因为B值相对于A值是非常小的，可以忽略不计，所以最后的二阶多项式曲线基本为一条直线。拟合数据如图4-5中的Ⅱ₃所指，拟合曲线如图4-5中的Ⅱ₄所指的曲线图中的直线。