程珍珍 祁林 梁成武
(河南城建學(xué)院電氣與控制工程學(xué)院 河南平頂山 467000)
《傳感器原理與應(yīng)用》課程作為自動化類專業(yè)的核心課程,通過該課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方法,能夠根據(jù)工程需要選用合適的傳感器,并能夠?qū)z測系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析、對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[1]。但由于實(shí)驗(yàn)課程環(huán)節(jié)比較注重結(jié)果,導(dǎo)致學(xué)生只能了解實(shí)驗(yàn)表象,無法深刻認(rèn)知并掌握傳感器理論。在國家大力推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及電網(wǎng)智能感知的背景需求下,在傳感器已成為限制各行業(yè)發(fā)展的瓶頸技術(shù)面前,傳感器的教學(xué)工作需要登上一個(gè)新的歷史臺階。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展,可以在不借用其他課程資源的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)傳感器原理專業(yè)核心課程被測場景虛擬化,檢測原理可視化,規(guī)律認(rèn)知在線化,助力傳感器原理課程進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新時(shí)代[2-3]。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境,給學(xué)生提供了一個(gè)開環(huán)操作的虛擬場景,學(xué)生可以在預(yù)習(xí)場景中了解虛擬實(shí)驗(yàn)的操作步驟;同時(shí)不用退出預(yù)習(xí)場景,可并行操作仿真實(shí)驗(yàn)相應(yīng)步驟。多媒體教學(xué)課堂上,教師也可以直接展示該虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,展開視覺+現(xiàn)場直播式教學(xué),擴(kuò)展課堂教學(xué)手段,激發(fā)學(xué)生聽課興趣,提高課堂教學(xué)效率[4]。
該項(xiàng)目以電渦流傳感器位移測量實(shí)驗(yàn)為例,采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)所需的步進(jìn)電機(jī)位移發(fā)生器、電渦流傳感器、電橋電路、放大器、濾波器、采集卡及電腦所組成的龐大實(shí)驗(yàn)平臺,提升了教學(xué)形式的先進(jìn)性。
電渦流傳感器位移測量對象是一個(gè)內(nèi)部有臺階的金屬管。步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)或后退產(chǎn)生微小位移,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制信號通過計(jì)算機(jī)串口輸出。步進(jìn)電機(jī)帶著兩個(gè)電渦流傳感器線圈深入金屬管內(nèi)部,探測銅管的內(nèi)徑。如圖1 所示,這兩個(gè)電渦流傳感器線圈和兩個(gè)電阻構(gòu)成差動電橋電路的四個(gè)橋臂,一起構(gòu)成系統(tǒng)測量電路。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)控制電渦流傳感器在管內(nèi)移動時(shí),因?yàn)樵谝苿舆^程中線圈與管壁距離不同。導(dǎo)致其等效阻抗發(fā)生變化。從而使電橋產(chǎn)生不平衡電壓[5]。
圖1 電渦流傳感器位移測量原理圖
差動電橋的供電電壓E由信號源發(fā)出,10 kHz 正弦信號經(jīng)過變壓器隔離后作為參考信號y(t)。差動電橋的輸出信號s(t)是含有大量噪聲的微弱信號,經(jīng)過放大、濾波送入數(shù)據(jù)采集卡。測量信號與參考信號在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行互相關(guān)分析,提取有用測量信號的幅值和相位差。電壓信號對應(yīng)的峰值坐標(biāo)值即金屬管內(nèi)臺階發(fā)生變化的位置,其峰值信號的波形將在監(jiān)測儀面板上顯示。
位移監(jiān)測儀軟件構(gòu)成如圖2所示。系統(tǒng)主要包括步進(jìn)電機(jī)控制模塊、信號采集及分析模塊和波形顯示模塊。
圖2 位移監(jiān)測儀軟件構(gòu)成
圖3給出了完整的基于LabVIEW的步進(jìn)電機(jī)控制面板。步進(jìn)電機(jī)控制模塊分設(shè)置和操作兩部分。設(shè)置部分實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)與計(jì)算機(jī)通信所用串口,步進(jìn)電機(jī)的移動速度以及步進(jìn)電機(jī)移動距離的設(shè)置,并直觀地顯示步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的位置。操作部分包括前進(jìn)、后退、歸零這3種操作,控制步進(jìn)電機(jī)的移動方向。
圖3 步進(jìn)電機(jī)控制面板
圖4~圖6 分別給出了步進(jìn)電機(jī)前進(jìn),后退及歸零的程序框圖。而這3 種運(yùn)行方式由事件結(jié)構(gòu)(Event Structure)來分別實(shí)現(xiàn)控制[6]。
圖4 控制“前進(jìn)”程序框圖
圖5 控制“后退”程序框圖
圖6 控制“歸零”程序框圖
位移監(jiān)測儀是基于電渦流傳感器位移測量裝置,將位移信號轉(zhuǎn)化為電壓信號,并對其進(jìn)行相關(guān)處理[7],由二者的關(guān)聯(lián)性,得出位移特性,實(shí)現(xiàn)位移的測量。進(jìn)行相關(guān)處理的兩電壓信號中,一個(gè)是差動電橋的不平衡輸出電壓,含有大量噪音,由通道0 采入計(jì)算機(jī),另一個(gè)是由信號源提供的參考信號,由通道1 采入計(jì)算機(jī)。然后應(yīng)用相關(guān)算法對兩路信號進(jìn)行處理,最后顯示有用信號的幅值和相位。因此這部分的軟件設(shè)計(jì)包括信號的采集、相關(guān)原理的應(yīng)用以及幅值和相位的顯示這3 個(gè)模塊。圖7 給出了信號處理前的采集和設(shè)置模塊程序框圖。圖8給出了相關(guān)處理及幅值和相位差顯示模塊的程序框圖。在相關(guān)處理圖形化的過程中,增加放大倍數(shù)輸入控件,增強(qiáng)可操作性。
圖7 相關(guān)數(shù)據(jù)采集程序框圖
圖8 圖像化相關(guān)處理模塊的程序框圖
結(jié)合以上模塊設(shè)計(jì)結(jié)果,設(shè)計(jì)了如圖9 所示的位移監(jiān)測儀,面板包括3 個(gè)模塊,即步進(jìn)電機(jī)控制模塊,數(shù)據(jù)采集模塊及波形顯示模塊。實(shí)際測量時(shí),操作位移監(jiān)測儀,設(shè)置步進(jìn)電機(jī)移動距離,監(jiān)測儀連續(xù)運(yùn)行,同時(shí)觀察波形變化。通過對波形相鄰峰值之間間隔的計(jì)算就可獲得位移測量結(jié)果。
圖9 位移監(jiān)測儀面板
(1)在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下,傳感器原理與應(yīng)用采用虛擬仿真輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué),符合堅(jiān)持以學(xué)生為本的教學(xué)理念,堅(jiān)持一切從學(xué)生的需求出發(fā),注重社會對學(xué)生綜合素質(zhì)的要求,注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力,調(diào)動學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動性,激發(fā)學(xué)生的興趣和潛力,增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn),使學(xué)生深入掌握傳感器的檢測原理及其關(guān)鍵技術(shù),在工程實(shí)踐中達(dá)到準(zhǔn)確使用傳感器的目的。
(2)傳感器課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)種類繁多,但實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模及設(shè)備量通常無法滿足開設(shè)所有實(shí)驗(yàn)的要求,虛擬仿真教學(xué)的引入在講課堂教學(xué)拓展到實(shí)驗(yàn)室的第二課堂的同時(shí),解決了這一難題。學(xué)生實(shí)驗(yàn)室更加具有選擇性,為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了平臺。任課教師還可根據(jù)學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)完成情況,綜合評價(jià)學(xué)生成績,完善平時(shí)成績給分依據(jù)。
《傳感器原理與應(yīng)用》在構(gòu)建自動化專業(yè)類教學(xué)體系中具有重要的地位。采用虛擬仿真技術(shù),能夠突破傳統(tǒng)認(rèn)知傳感器課堂教學(xué)不足,積極推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革。該文以電渦流傳感器位移測量為例,以LabVIEW 軟件為開發(fā)平臺,編寫了位移監(jiān)測儀程序,組建了電渦流傳感器位移測量系統(tǒng),有助于培養(yǎng)學(xué)生靈活組建傳感器檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐能力及主動思考問題的能力。