質(zhì)心平面坐標(biāo)測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其教學(xué)應(yīng)用

羅少軒，喬愛民，王艷春

質(zhì)心平面坐標(biāo)測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其教學(xué)應(yīng)用

羅少軒，喬愛民，王艷春

（蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

針對“虛擬儀器”和“檢測技術(shù)與傳感器”等課程存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備不足的現(xiàn)狀，課題組開發(fā)了一套基于Labview的質(zhì)心平面坐標(biāo)測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由稱重平臺、數(shù)個(gè)重量傳感器、多通道信號變送器和計(jì)算機(jī)軟件組成，能夠準(zhǔn)確地測量稱重平臺上不規(guī)則對象的總重量和質(zhì)心平面位置坐標(biāo)。該系統(tǒng)在使用過程中學(xué)生可以自由發(fā)揮，任意改變被測對象的位置和數(shù)量，或修改重量傳感器的數(shù)量和位置坐標(biāo)，有利于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提升相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

虛擬儀器；質(zhì)心測量；實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)；教學(xué)研究

近年來隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加快，以及海外鉆井平臺管廊模塊訂單的增加，平面質(zhì)心測量系統(tǒng)的需求量也越來越大。平面質(zhì)心測量系統(tǒng)主要用于測量高架橋路面、鉆井平臺管廊模塊等大型構(gòu)件質(zhì)心在XY二維平面上的分布，目的是保證上述大型構(gòu)件的XY平面質(zhì)心坐標(biāo)盡量靠近中心，而不能往某側(cè)偏移過多，否則容易在外界環(huán)境影響下發(fā)生傾覆和側(cè)翻[1–2]。這種測量系統(tǒng)是一種新興技術(shù)，國內(nèi)外很多企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者針對不同的項(xiàng)目，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值分析、框架模擬等角度對大型構(gòu)件的質(zhì)心分布進(jìn)行了研究[3–5]。但是由于每個(gè)待測對象的體積、重量、質(zhì)心分布的差別比較大，針對不同項(xiàng)目一般會定制一套專用的測量系統(tǒng)，測量成本很高，因此，設(shè)計(jì)一種通用的質(zhì)心平面坐標(biāo)測量系統(tǒng)對于解決上述問題具有重要意義。

目前，高校中的“虛擬儀器”課程主要是要求學(xué)生掌握利用各種模塊化的硬件和軟件，結(jié)合Labview軟件，完成多種形式的測量和數(shù)據(jù)處理任務(wù)[6]。由于市面上NI公司官方的硬件模塊價(jià)格比較貴，很多高校無力購買，所以該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是以計(jì)算機(jī)仿真為主，與硬件模塊配合很少，實(shí)驗(yàn)課變成了Labview軟件的上機(jī)課，很難鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力[7]。而另外一門課程“檢測技術(shù)與傳感器”的情況卻恰恰相反，實(shí)驗(yàn)課使用的實(shí)驗(yàn)箱中配備了多種傳感器模塊，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)很方便，但是由于傳感器、信號處理模塊、線纜連接都是封裝好的，學(xué)生很難發(fā)揮主觀能動性，只能按部就班地完成實(shí)驗(yàn)過程[8]。而且，實(shí)驗(yàn)只有硬件測試，缺乏后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算機(jī)顯示，學(xué)生難以體會到“物理量—傳感器—信號調(diào)理—信號傳輸—數(shù)據(jù)處理-數(shù)據(jù)顯示”這樣一個(gè)完整的檢測過程。

為解決課程中存在的問題，課程組教師結(jié)合科研項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一種基于Labview的質(zhì)心平面坐標(biāo)測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)稱重平臺、8只稱重傳感器、一個(gè)8通道信號變送器和一套Labview上位機(jī)軟件組成。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，可以根據(jù)被測物體的重量分布，自由設(shè)定傳感器的數(shù)量和每只傳感器的位置坐標(biāo)，并通過Labview軟件計(jì)算重物的總質(zhì)量和質(zhì)心坐標(biāo)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以同時(shí)服務(wù)于“虛擬儀器”“檢測技術(shù)與傳感器”和“單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用”課程的多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

自主研制實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，有利于根據(jù)專業(yè)課程設(shè)置和人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)際情況，開發(fā)有針對性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)能夠提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，節(jié)約成本[9]。探索實(shí)驗(yàn)設(shè)備的多課程融合，不但有利于解決購置實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格高、針對性不強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備購置經(jīng)費(fèi)不足的問題，同時(shí)也為科研反哺教學(xué)和開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究提供了新思路。

1 質(zhì)心測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成及工作原理

本次研制的質(zhì)心測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要用于測定物體質(zhì)心在XY二維平面上的分布，模擬測量高架橋路面、鉆井平臺管廊模塊等大型構(gòu)件的質(zhì)心平面分布。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由稱重平臺、坐標(biāo)紙底面、8只稱重傳感器、一個(gè)8通道信號變送器和一套Labview上位機(jī)軟件組成，如圖1（a）所示。

圖1 質(zhì)心測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

其中，稱重傳感器采用微型高精度平頂稱重傳感器，如圖1（b）所示，直徑為25mm，高度為18mm，每只量程為20kg，每只傳感器綜合測量誤差低于10g。稱重傳感器放置在坐標(biāo)紙底面上，放置的位置坐標(biāo)可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)任意設(shè)置。稱重平臺是一塊透明的亞克力板，水平放置在所有稱重傳感器的平頂上，稱重平臺上方用于放置砝碼或其他重物等被測對象。8通道信號變送器一端連接8只稱重傳感器，另一端通過RS485總線連接計(jì)算機(jī)，并且信號變送器為稱重傳感器提供工作電源；計(jì)算機(jī)中安裝有一套Labview編寫的上位機(jī)軟件，接收信號變送器上傳的數(shù)據(jù)，處理后在軟件界面（見圖2）中顯示被測對象的總重量和質(zhì)心坐標(biāo)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件界面

實(shí)驗(yàn)過程中，在布置傳感器的時(shí)候，重量集中的區(qū)域，傳感器排布也應(yīng)該集中，這樣測量更加準(zhǔn)確，同時(shí)也避免傳感器過載。總重量越大，傳感器數(shù)量應(yīng)該越多，分布更均勻；總重量越小，傳感器數(shù)量可以適當(dāng)減少。

如果1～8傳感器的X坐標(biāo)分別為x～x，Y坐標(biāo)分別為y～y，實(shí)測載荷分別為m～m，那么，稱重平臺上的待測物體的總重量M，質(zhì)心X軸坐標(biāo)Xm和質(zhì)心Y軸坐標(biāo)Ym則分別可用公式（1）～（3）計(jì)算得出。

利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測定重物質(zhì)心，需要以下5個(gè)步驟：

第一步：確定稱重傳感器的數(shù)量和位置坐標(biāo)。8只稱重傳感器不一定每次都要全部使用，可以根據(jù)被測重物的總重量、重量分布情況選用任意數(shù)量的傳感器。

第二步：在坐標(biāo)紙底面上擺放稱重傳感器，并在上位機(jī)軟件中設(shè)置每只傳感器的坐標(biāo)。

第三步：在稱重傳感器上放置稱重平面，并在上位機(jī)軟件中去除皮重值。

第四步：在稱重平面上放置待測重物。

第五步：在上位機(jī)軟件中點(diǎn)擊“計(jì)算質(zhì)心”按鈕，軟件自動計(jì)算待測重物的總質(zhì)量和質(zhì)心平面坐標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)指標(biāo)

2 質(zhì)心測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法（硬件、上位機(jī)軟件、質(zhì)心計(jì)算公式）

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的質(zhì)心測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。其中，硬件部分主要包括稱重傳感器、信號變送器、RS485電平轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)；軟件部分采用Labview編寫上位機(jī)軟件，用于數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。稱重傳感器的輸出信號是mV級電壓信號，因此接入信號變送器后，需要進(jìn)行信號調(diào)理和放大處理，然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號，再通過RS485總線，發(fā)送給計(jì)算機(jī)集中處理。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

上位機(jī)軟件采用Labview編寫，這是一種圖形化的編程工具，簡單實(shí)用，非常適合編制用于自動化設(shè)備的測量軟件[10]。軟件主界面如圖2所示，上位機(jī)軟件主要完成以下功能：（1）與8通道信號變送器的通信，得到每只傳感器的實(shí)時(shí)載荷；（2）按照傳感器在坐標(biāo)紙底面的擺放位置，設(shè)置各個(gè)傳感器的XY坐標(biāo)；（3）稱重平臺上未放置重物時(shí)，校準(zhǔn)傳感器和去除稱重平臺的皮重值；（4）稱重平臺上放置重物且保持穩(wěn)定后，按照預(yù)置算法計(jì)算總重量和質(zhì)心平面坐標(biāo)；（5）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在界面中模擬顯示各個(gè)傳感器、重物質(zhì)心的平面位置。軟件的運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件運(yùn)行流程

3 教學(xué)應(yīng)用及教學(xué)效果

本次自主研發(fā)的質(zhì)心測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一方面積極響應(yīng)了教育部提倡各本科高校自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的精神[11–12]，另一方面也為電子和自動化類相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)提供了新思路。自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以根據(jù)課程設(shè)置的實(shí)際需求，彌補(bǔ)市場上制式實(shí)驗(yàn)設(shè)備的短板，有利于教師將自身科研項(xiàng)目中的研究成果用來反哺教學(xué)，科研工作和教學(xué)工作相結(jié)合，進(jìn)一步促進(jìn)科研和教學(xué)工作的全面發(fā)展[13]。利用此次研制的質(zhì)心測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，課程組教師結(jié)合教學(xué)大綱，開發(fā)了5個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，服務(wù)于電子信息工程專業(yè)和電氣自動化專業(yè)的三門課程，如表2所示。

表2 基于質(zhì)心測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

通過將研制的質(zhì)心測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果：

（1）項(xiàng)目的開展使學(xué)生了解了高架橋路面、海上平臺管廊模塊的質(zhì)心測量方法，激發(fā)了他們的好奇心和學(xué)習(xí)興趣；還具有舉一反三的作用，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)掘更多相關(guān)案例，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

（2）通過開發(fā)的新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生更直觀地了解相關(guān)知識點(diǎn)在工程實(shí)際中的應(yīng)用，強(qiáng)化了自身的工程化意識，同時(shí)拓寬了學(xué)生的視野，提升了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。

（3）由于實(shí)驗(yàn)裝置是課題組教師根據(jù)自身科研項(xiàng)目研發(fā)的，因此擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，可以根據(jù)不同課程、不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，隨時(shí)進(jìn)行修改，也可以作為相關(guān)課程的課程設(shè)計(jì)素材使用，為實(shí)踐類課程的教學(xué)研究提供了新思路。

（4）在自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置過程中，吸收了一些優(yōu)秀學(xué)生參與研發(fā)，組成了科研小組，積極參加各類科研活動，并在學(xué)科專業(yè)競賽中獲得多個(gè)國家級獎(jiǎng)項(xiàng)，有效培養(yǎng)了學(xué)生的科研實(shí)踐能力、溝通交流能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

4 結(jié)語

自主研發(fā)的質(zhì)心測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量稱重平臺上待測重物的總重量和質(zhì)心平面坐標(biāo)，采用傳感器、信號變送器、計(jì)算機(jī)、上位機(jī)軟件相結(jié)合的方式，構(gòu)成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。為“虛擬儀器”“檢測技術(shù)與傳感器”和“單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用”三門課程開發(fā)了5個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，豐富了課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并為本科高校自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供了新思路。實(shí)驗(yàn)過程貼近工程實(shí)際，有利于激發(fā)學(xué)生的積極性、鍛煉學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力、提升課程的教學(xué)效果。

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Design of Experimental System for Centroid Plane Coordinate Measurement and Its Teaching Application

LUO Shao-xuan, QIAO Ai-min, WANG Yan-chun

（School of Electronics and Electrical Engineering, Bengbu University, Bengbu Anhui 233000, China）

In view of the inadequate existing experimental teaching equipment in the current courses such as Virtual Instrument and Detection Technology and Sensors, an experimental system for Centroid Plane Coordinate Measurement based on Labview is developed. The experimental system, composed of weighing platform, several weight sensors, multi-channel signal transmitter and computer software, can accurately measure the total weight of irregular objects on the weighing platform and the coordinates of the centroid plane. It allows students freely change the position and quantity of the measured objects, or modify the number and position coordinates of the weight sensors, which is conducive to motivate the students, stimulate their curiosity and interest in learning, and improve the experimental teaching effect of related courses.

virtual instrument; centroid measurement; experimental equipment development; teaching research

G642

A

2095-9249（2021）06-0090-04

2021-12-14

安徽省高校質(zhì)量工程教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（2020jyxm1145）；蚌埠學(xué)院校級教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（2019JYXML5）；蚌埠學(xué)院新工科教學(xué)研究項(xiàng)目（2020XGKJY13）

羅少軒（1980—），男，湖南岳陽人，副教授，研究方向：智能儀器儀表與傳感器。

〔責(zé)任編校：吳侃民〕