基于虛擬儀器的傳感器實驗項目開發(fā)

劉偉 袁曹浩 陳哲 王雪東 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院 江蘇南京 210000

1 引言

《傳感器與檢測技術(shù)》課程是高職院校電類專業(yè)教學計劃中的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程涉及面廣、應(yīng)用性強，然而在教學中由于綜合實驗條件的欠缺，導(dǎo)致課程教學內(nèi)容常常偏向傳感器工作原理等理論化教學。傳統(tǒng)傳感器實訓(xùn)裝置價格昂貴，后期維護費用高，且可操作性不強，以我校為例，采用了中德棟梁的DLCG-DS110X傳感器實訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量模塊精度不高，且損壞率高，后期維護費用大，電路參數(shù)不可以靈活調(diào)整修正，以至于可操作性不強。本項目考慮利用多數(shù)據(jù)采集儀和虛擬儀器LabVIEW的圖形化語言構(gòu)建人機界面，實時顯示和處理采集數(shù)據(jù)，通過不同傳感器及其測量電路的搭建，實現(xiàn)溫度、光強、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的檢測。

2 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)用到的硬件包括：測控對象、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、多路輸出電源模塊、計算機和虛擬儀器LabVIEW。在實驗箱面包板上搭建檢測電路，輸出參數(shù)經(jīng)多通道數(shù)據(jù)采集儀處理后送至計算機，在計算機中用LabVIEW設(shè)計可視化人機界面，實時顯示采集數(shù)據(jù)的數(shù)值和時序圖，并可進行放大倍數(shù)、采樣速率等參數(shù)的調(diào)整。

多路輸出電源模塊：用于給數(shù)據(jù)采集儀、傳感器和測控對象等提供+5V、±12V、+24V和多路輸出直流電源，其中數(shù)據(jù)采集儀需要+12V供電。除多路輸出采用五芯航空插頭外，其他輸出都采用兩芯航空插頭。

數(shù)據(jù)采集儀：傳感器的作用是將實時連續(xù)變化的非電（大部分情況下）物理量轉(zhuǎn)化為與之線性或非線性相關(guān)的電參量，也是模擬信號，標準（±10以內(nèi)）的模擬電信號可以直接由示波器等測量儀器檢測顯示，但計算機或單片機等處理器需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能對數(shù)據(jù)進行分析、處理和顯示。因此，需要采用數(shù)據(jù)采集儀完成A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集儀與計算機采用USB接口連接，支持熱插拔，使用方便。使用前需要安裝驅(qū)動程序。

LabVIEW軟件平臺：NI公司的LabVIEW軟件平臺具有強大的圖形化系統(tǒng)設(shè)計能力，是目前最佳的虛擬儀器程序設(shè)計語言，可實現(xiàn)與硬件無縫對接。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計分為硬件部分和軟件部分，以光照強度測量實驗為例。在實驗箱面包板上搭建光敏電阻光強測量電路。光敏電阻通過對數(shù)二極管進行對數(shù)壓縮后，理論上其光電流與光照強度成線性關(guān)系。首先要測量出該傳感器經(jīng)過對數(shù)壓縮后的線性函數(shù)表達式，才能利用光敏電阻完成相關(guān)量的測量。

圖 1 光敏電阻光照強度測量電路圖

圖2 分立元件電路圖

系統(tǒng)主程序采用LabVIEW狀態(tài)機模式進行設(shè)計，程序框圖如圖3所示。各參數(shù)測量實驗采用子VI進行設(shè)計，將采集到的數(shù)據(jù)進行線性擬合和計算，在前面板中顯示測量精度和線性度。選擇采樣通道選擇“5”，采樣頻率選擇“3”，采樣長度選擇“1024”。運行程序進行光敏電阻對數(shù)壓縮后的線性關(guān)系的測量。

圖3 光強測量程序圖

在實驗過程中改變CdS光敏電阻的光照狀況，用照度計測量該光照狀況下的光照強度，如果改變光照強度狀況后電壓變化量比較小，可以電阻VR1的阻值調(diào)整電路的放大倍數(shù)。多次調(diào)整光敏電阻受光面的光照狀況，接著用照度計測量該光照狀況下的光照強度，可采集多次輸出電壓，記錄數(shù)據(jù)描點畫出特性圖。

線性曲線通常用函數(shù)關(guān)系式y(tǒng)=k*x+b表示，其中橫坐標x表示光照強度（Lx），縱坐標y表示傳感器輸出的電壓。當傳感器的輸出電壓為已知量而被測對象為未知量時，該線性函數(shù)關(guān)系式則可表示為：x=(y-b)/k，也就是說利用線性函數(shù)關(guān)系式就可以實時的測量傳感器的輸出電壓進而計算出被測對象的量。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)可采用分立元件自行搭建電路，成本較低，易于維護，學生可在此實驗系統(tǒng)基礎(chǔ)上利用各類傳感器搭建調(diào)理電路，進行設(shè)計和創(chuàng)新實驗，理論聯(lián)系實際，可以有效提高學生的動手能力、排查故障能力，更好地理解理論內(nèi)容，激發(fā)學習興趣和探索精神。