基于虛擬儀器技術(shù)的傳感器實驗教學(xué)系統(tǒng)研究

羅劉敏+王明霞+郭艷花+劉曉青

摘 要：為了提高學(xué)生做傳感器與檢測技術(shù)課程實驗的興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。本文使用功能較強大的虛擬儀器LabVIEW軟件和Multisim軟件，開發(fā)了一套傳感器與檢測技術(shù)實驗課程相關(guān)的實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)能夠滿足傳感器與檢測技術(shù)課程的實驗要求?；谔摂M儀器的實驗系統(tǒng)設(shè)計是傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)改革創(chuàng)新的體現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)插拔式、驗證式的實驗現(xiàn)象，減少了實驗室建設(shè)的成本，有很大的推廣應(yīng)用價值，有利于學(xué)校轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要——培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞：傳感器 虛擬儀器 實驗教學(xué) LabVIEW

中圖分類號：TP303 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0231-03

Abstract： In order to improve the students' interest in the experiment of sensor and detecting technology and improve students' ability of self-learning and innovation.This paper develope a set of experimental system which is based on LabVIEW and Multisim software.The experimental system can meet the requirements of sensor and detecting technology course experiment. The design of the experimental system based on virtual instrument is the embodiment of the teaching reform and innovation of the sensor and detection technology course. It changes the traditional plug-in and verification experimental phenomenon， reduces the cost of laboratory construction， has great popularization and application value，and be beneficial to the need of School Transformation and Development - Cultivating Applied Talents.

Key Words： Sensors； Virtual instruments； Experimental teaching； LabVIEW

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動化程度越來越高，從而對傳感器技術(shù)的依賴越來越強。就高校教學(xué)來說，當(dāng)前的傳感器技術(shù)實驗課程內(nèi)容已經(jīng)不能滿足人才培養(yǎng)的新需要，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是教學(xué)內(nèi)容陳舊，以驗證性實驗為主，與工程實踐脫節(jié)嚴(yán)重；二是教學(xué)方式單調(diào)枯燥，缺乏直觀性；三是實驗方法和手段因?qū)嶒炘O(shè)備的定型而很難改動；四是傳統(tǒng)的實驗教學(xué)設(shè)備大多缺乏信息的直觀顯示和存儲能力等[1-2]。“虛擬儀器技術(shù)”就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量及自動化的應(yīng)用[3]。它是現(xiàn)代測試技術(shù)、計算機技術(shù)和電子儀器技術(shù)相互結(jié)合滲透的產(chǎn)物，它以軟件取代傳統(tǒng)的電子儀器，打破傳統(tǒng)系統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的表達(dá)、分析、處理、傳輸、存儲等方面的限制，包括硬件和軟件兩個基本要素。若將傳感器實驗教學(xué)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，必將有助于提高實驗教學(xué)設(shè)備的先進(jìn)性，有效地提高學(xué)生的實際動手能力，更好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和探索精神，實現(xiàn)實驗教學(xué)與工業(yè)實際應(yīng)用的充分銜接[4-6]。

本文以虛擬儀器LabVIEW軟件和Multisim軟件為開發(fā)平臺，設(shè)計周口師范學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)實驗教學(xué)平臺，該平臺實時性和擴展性比較強，可以緩解傳感器與檢測技術(shù)實驗設(shè)備緊缺的問題。利用該平臺可以提高學(xué)生的實驗興趣和實驗效率；增強實驗效果；鞏固對該課程的理論知識的掌握；便于他們在實驗中全面接觸各種新興技術(shù)，并將其與所學(xué)的專業(yè)知識融會貫通。

1 虛擬傳感器與檢測技術(shù)實驗平臺解決的關(guān)鍵問題

1.1 傳統(tǒng)驗證性實驗和虛擬綜合設(shè)計實驗協(xié)調(diào)問題

傳統(tǒng)的傳感器實驗教學(xué)都是在CSY系列傳感器實驗平臺完成，實驗內(nèi)容和實驗方式都比較單一。虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展充分展現(xiàn)出了性能高、擴展性強、開發(fā)時間少、出色的集成以及基于計算機的出色的顯示和存儲優(yōu)勢，將虛擬儀器技術(shù)引入傳感器實驗教學(xué)，既提升了實驗設(shè)備的水平，又大大節(jié)約了學(xué)校更新實驗設(shè)備所需的投資，而且通過這一綜合性實驗為提高學(xué)生全面運用所學(xué)知識的能力創(chuàng)造了良好的實驗條件。虛擬儀器在傳感器課程教學(xué)中的應(yīng)用也大大拓展了學(xué)生的知識面，使得原本枯燥的理論教學(xué)變得直觀有趣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了學(xué)生的動手機會，也在一定程度上培育了他們的探索精神和創(chuàng)新能力。同時也提高了《傳感器與檢測技術(shù)》實驗教學(xué)方面的效果和質(zhì)量，有力地推動了教學(xué)改革[7]。

1.2 實驗室開放問題

傳統(tǒng)的傳感器與檢測技術(shù)實驗課程，教學(xué)方法比較單一，而且實驗的內(nèi)容大多都是驗證性和插拔性的，學(xué)生做實驗時只要照著書上的實驗步驟和電路圖進(jìn)行連接，即可完成相應(yīng)的實驗[8]。學(xué)生要想完成開放性實驗，還要聯(lián)系實驗室管理員，由實驗室管理員告知實驗室是否空閑，且必須在相應(yīng)的實驗室內(nèi)完成，受時間和地點的限制。

虛擬傳感器與檢測技術(shù)實驗教學(xué)平臺，可以不受時間和地點的限制。只要有校園網(wǎng)的地方，學(xué)生都可以進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)。它給學(xué)生提供了較寬松的實驗環(huán)境和較大的創(chuàng)新空間，把更多的時間留給了學(xué)生自主探究和自主思索，更加注重學(xué)生的理論和實踐的結(jié)合，極大地增加了實驗室的開放程度[9]。endprint

2 虛擬實驗平臺總體搭建

虛擬實驗教學(xué)平臺分為四級界面：一級界面：實驗教學(xué)系統(tǒng)登錄界面，包含輸入用戶名和密碼；二級界面：用戶信息顯示界面，包含顯示用戶名、權(quán)限及登錄時間；三級界面：用戶管理界面，包含刪除和增加新用戶；四級界面：具體實驗?zāi)夸浗缑娼M成，包含小型稱重系統(tǒng)設(shè)計、霍爾傳感器位移測量系統(tǒng)、電渦流傳感器測速系統(tǒng)設(shè)計、光電傳感器轉(zhuǎn)速測量、熱電偶溫度測量系統(tǒng)設(shè)計及自主設(shè)計類實驗[10]。該實驗平臺總體搭建框圖見圖1。

為了實現(xiàn)虛擬傳感器與檢測技術(shù)實驗，根據(jù)虛擬儀器LabVIEW本身使用特點，實驗平臺的總設(shè)計分為前面板和后面板兩個面板，其中前面板相當(dāng)于傳統(tǒng)實驗儀器的外部控制面板，后面板相當(dāng)于傳統(tǒng)實驗儀器中的內(nèi)部實際電路，主要用來實現(xiàn)前面板功能的程序框圖。

3 傳感器與檢測技術(shù)虛擬實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)

本文以設(shè)計小型稱重裝置為例，介紹虛擬實驗平臺的搭建，此裝置包含硬件部分和軟件部分，硬件部分包括金屬箔式應(yīng)變式傳感器模型和測量電路兩部分，這兩部分是在Multisim中仿真設(shè)計的，軟件顯示和分析部分是借助虛擬儀器LabVIEW完成，整個測量系統(tǒng)的仿真全部在Multisim和LabVIEW軟件環(huán)境中完成，最終可直接顯示重量值。

3.1 硬件電路設(shè)計

此裝置采用金屬箔式應(yīng)變設(shè)計的小型稱重裝置，硬件部分是在Multisim中仿真設(shè)計，包括應(yīng)變模型和測量電路兩部分。

在Multisim中建立的代替應(yīng)變片的模型，搭建的綜合電路設(shè)計見2。

3.2 顯示子程序設(shè)計

顯示模塊是在LabVIEW虛擬儀器中設(shè)計，輸入和輸出的數(shù)學(xué)關(guān)系通過在Multisim中搭建的測量電路進(jìn)行仿真得到的實驗數(shù)據(jù)。在LabVIEW中建立VI子程序。在前面板中選擇相應(yīng)框圖，建立的小型稱重系統(tǒng)程序框圖見圖3。

3.3 前面板設(shè)計

前面板是用戶與程序交互的窗口，主要用于設(shè)置輸入控制參數(shù)和觀察輸出量，小型稱重系統(tǒng)的前面板由輸入控件和輸出控件組成。輸入控件用來輸入電壓值和重物的單價數(shù)值，主要為VI的程序框圖提供數(shù)據(jù)。輸出控件除了顯示電阻的變化量、質(zhì)量以及總金額，還包括了儀表盤顯示面板和超重指示燈。整個設(shè)計完成后，對電路進(jìn)行調(diào)零后，分別對18g和74g的重物進(jìn)行了仿真驗證，仿真結(jié)果見圖4，從仿真結(jié)果上看，雖然存在誤差，但基本符合設(shè)計要求。

4 網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計

為了使實驗不受時間和環(huán)境的限制，真正實現(xiàn)設(shè)備資源的共享性和實驗教學(xué)的開放性，此實驗系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議，采用LabVIEW虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)VI程序能夠被遠(yuǎn)程控制和訪問。

5 結(jié)語

本文基于LabVIEW虛擬儀器和Multisim仿真軟件進(jìn)行了傳感器與檢測技術(shù)實驗系統(tǒng)的設(shè)計，為學(xué)生提供了一個創(chuàng)新設(shè)計和自主學(xué)習(xí)的平臺，該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)插拔式、驗證式的實驗現(xiàn)象，減少了實驗室建設(shè)的成本，實現(xiàn)了隨時隨地進(jìn)行實驗的目標(biāo)，提高了實驗設(shè)備的共享性和開放性，有利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

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