基于虛擬儀器檢測技術實驗平臺的開發與應用

摘 要:采用虛擬儀器軟件開發平臺LabVIEW在NI數據采集卡以及傳感器實驗臺基礎上，研制開發了檢測技術實驗教學平臺。給出該實驗平臺的軟硬件構建方法，尤其是對平臺的實驗功能進行了詳細闡述，并通過實例驗證了該系統具有良好的實驗教學效果。同時該實驗平臺，利用LabVIEW中強大的網絡通信功能，實現了硬件設備的資源共享、數據共享以及實驗結果網絡發布，能夠最大限度地利用現有設備。不僅可以節省大量儀器設備的經費投入，而且為教學提供了一種全新的現代化教學手段。關鍵詞:虛擬儀器; 檢測技術實驗; 網絡通信; 設備共享

中圖分類號:TN33-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0184-04

Development and Application of Detecting Technology Experiment

Platform Based on Virtual Instrument

WANG Dong-xia， YUE Jian-hua

(School of Automation， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China)

Abstract: An experiment teaching platform of detecting technology is developed with the software development platform LabVIEW for virtual instruments based on NI data acquisition card and sensor experimental table. The software and hardware construction methods of the experimental platform is presented. The functions of the experimental platform are expatiated. A instance verifies that the system has a good experimental teaching effect. Thehardware resource sharing， data sharing and Web publishing of experimental results were implemented on the experimental platform by the aid of the powerful network communication function of LabVIEW. The maximum use of the existing equipments can not only save a large amount of funds for teaching equipments， but also provide a modern teaching means.Keywords: virtual instrument; detecting technology experiment; network communication; device sharing

0 引 言

對于工科院校來說，檢測技術這門課幾乎所有專業都開設，該課程內容具有很強的實踐性，只有在實踐中加強實驗，才能真正掌握有關理論，并提高其操作技能。因而檢測技術的實驗教學也就顯得尤為重要。然而許多高等院校檢測實驗室中所使用的傳統教學實驗儀器以及檢測實驗存在以下幾個共同點:第一，實驗設備功能單一、固定，只能進行特定項目的實驗，實驗方案固定，學生只能按部就班地進行操作，使學生積極性和主觀能動性受到極大的限制;第二，大多數實驗室由于資金問題限制實驗設備臺套數導致實驗分多組，給實驗室老師造成繁重的教學任務，或者至少兩人一組造成一部分主動性較差的學生不去親自動手，實驗效果較差;第三，傳統實驗設備如模擬示波器、電壓表等及一些儀表旋鈕容易損壞，設備維修要專門請人上門，要花費時間、人力及才力等且給使用造成不便;第四，隨著新技術新原理不斷出現，使儀器更新的步伐加快，舊的設備面臨著被淘汰的處境，增加新的實驗項目就意味著增添新的設備。然而許多儀器的價格昂貴，再加上場地、經費等種種問題，使許多院校不能根據課程的需要提供相關儀器，使人才質量受到極大的影響;第五，學生實驗報告的書寫存在大量抄襲現象。大多數學生實驗報告的重點不是對結果的分析而是對實驗過程的描述。

我校測控與儀器專業的檢測實驗室承擔全校的檢測實驗教學任務。實驗室目前現有的設備主要有浙江大學儀器系生產的CSY系列傳感器系統實驗儀和模擬示波器等這些傳統的實驗設備。CSY系列傳感器系統實驗儀集被測對象、各種傳感器、信號激勵源、處理電路和LED顯示器于一體，可組成完整的檢測系統。在該系統上開發了近50個實驗，學生通過這些實驗，可對傳感器的工作原理、基本結構、性能、測量電路、檢測系統的組成方法和傳感器應用獲得直觀的感性認識。但是現用的實驗教學方法是傳統的通過傳感器實驗臺搭好電路，然后改變輸入量，從電壓表上讀出或示波器輸出結果。實驗內容枯燥，再加上實驗設備容易損壞，學生實驗的主動性較差，實驗效果差，實驗報告抄襲現象嚴重。如果原有實驗條件和實驗教學方法不能與時俱進地進行改革，勢必會嚴重影響教學的質量和效果。尋求新的實驗教學方法和教學手段迫在眉睫。

近年來，虛擬儀器及其技術在我國得到了逐步推廣，為了解決上述矛盾，把虛擬儀器引入實驗教學己經受到越來越多人的關注。為解決上述實驗問題，我們的檢測實驗室也準備與已建立的虛擬儀器實驗室結合起來，實現檢測實驗教學的改革。

LabVIEW是一種高效的可視化開發環境，其完全使用圖形化的編程環境，開發效率高，而且提供了極其豐富的數學運算工具，具有強大的數據處理能力，非常適合于用作實驗儀器的開發平臺。它對于解決高校的困擾和發揮學生的主動件和創造性提供了極為有效的途徑 。

1 實驗平臺功能

1.1 整體功能特點

利用NI公司的LabVIEW軟件平臺實現檢測與虛擬儀器實驗室設備共享和實驗過程無紙化操作可以有以下幾個方面優點和功能:可以方便實驗管理，有效監控學生實驗過程，防止學生抄襲;可以實現設備共享，解決實驗室設備不足的狀況，緩解學校壓力，而且通過網絡功能使實驗不受空間限制，達到資源共享;便于多媒體教學，可以隨時通過實驗平臺的網上發布功能將反映實驗結果的前面板內容投影到大屏幕上，進行學生典型實驗分析;使學生可以通過網絡向教師提交實驗報告，可以就實驗中的疑難問題與教師和同學在網上通過收發E-mail和粘貼BBS的形式進行相互交流，充分發揮現代化教學資源的優勢。

基于LabVIEW的虛擬儀器檢測實驗平臺就是以CSY系列傳感器系統實驗儀的輸出信號為數據源構建的。該實驗平臺可為學生提供方便、快捷的數據檢測和分析手段，將學生實驗中的工作重點從以往的測量、數據記錄和計算上轉移到實驗方案的理解、實驗過程、實驗現象及結果的分析上來，在提高實驗效率的同時提高實踐性教學環節的教學效果，為傳感器與檢測技術課程實驗提供完善的實驗手段，達到更好的教學效果。

1.2 檢測實驗平臺的硬件構成與實現功能

本實驗平臺在建立在檢測實驗室和虛擬儀器實驗室共有設備基礎上。本設計的硬件構成包括CSY傳感器實驗臺、NI公司PCI-6024E數據采集卡和虛擬儀器面板組成。通用的數據采集卡PCI-6024E，輸入模擬通道最大電壓10 V，它的采樣率為120 KSPS，可以滿足高校實驗室教學的需要。由于采集卡較昂貴，購買數量有限，可借助于LabVIEW強大的網絡通信功能實現設備共享，即至少兩臺計算機共用一個數據采集卡實現傳感器信號的采集與處理。信號的處理和結果的顯示都由軟件完成，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示實現。

1.3 軟件具體實現(軟件功能)

從實驗功能上本平臺可實現傳感器特性測試與測量，硬件設備的共享及實驗報告的網上提交。硬件設備共享可以節省大量資金，實驗結果立即網上提交可以從考核的角度促進學生實踐環節的主動性和積極性，而且利用LabVIEW的網絡功能學生可以直接將實驗結果上傳至老師，方便快捷。

針對各種傳感器實驗的特點，實驗軟件設計主要分為3部分功能:傳感器靜態特性測試;動態測量;網絡通信。

下面對各模塊的設計實現作相應介紹。

1.3.1 靜態特性測試模塊

本模塊主要是實現傳感器的靜態標定。是一個傳感器的靜態特性測試平臺。目的是要實現對在靜態標定條件下的傳感器信號的采集與數據處理。主要內容有量程的設置、輸入量的選擇、正反行程的選擇、數據的采集與顯示、無效點的刪除、歷史數據清空、曲線組的選擇、曲線的擬合及測量數據的保存與讀取等部分組成。對本模塊當中的主要功能部分作具體說明:

(1) 數據采集顯示部分。

采集部分由一點動開關控制，點擊一次采樣一次，同時按散點顯示在特性曲線圖表上，由x-y圖實現。可顯示采集的散點和擬合曲線，可最多同時顯示8組曲線，包括4條特性曲線和4條擬合曲線。

(2) 數據的清除。

如果在實驗操作過程中由于人為操作失誤或者其他環境影響，造成測量數據無效，還可以點擊刪除當前點按鈕刪除相應的采樣點，例如在做電容式傳感器靜態標定過程中，由于螺旋測微儀轉動的圈數錯誤即位移間隔錯誤導致已經采集的數據無效時，可以把當前點從曲線中刪除;或者測量過程中覺得誤差太大想重新測量的話，隨時可以清空歷史數據重新再來一遍，實驗平臺將刪除x-y圖上的描點，從頭開始重新描點顯示。這個功能使實驗過程有了很大的靈活性。

(3) 曲線組的選擇。

實驗平臺的設計可以進行最多4組曲線的測量與顯示。此功能的目的在于可以作同一傳感器在不同測量條件下的特性對比，或者不同類型傳感器在相同環境條件下的特性對比實驗。例如可以實現金屬應變片與半導體應變片的特性對比實驗。分別測試出兩種傳感器的特性曲線，結果顯示在同一x-y圖上，可以從特性曲線直觀地看出兩種材料的應變傳感器的特性，還可以通過擬合得到兩種傳感器的靈敏度、線性度等參數對比。或者是對同一類型的應變片可以做全橋和半橋實驗，通過測量結果掌握不同的測量電路的特性。通過直觀的圖形和數據的對比，大大增強了學生對兩種傳感器的特性的理解，同時提高了實驗效果。

圖1是利用半導體應變片在單臂和半橋差動工作方式下進行了兩組靜態標定數據點及相應的擬合直線。從圖中的散點可以看出兩種工作下的數據點都基本在一條直線上，滿足應變片在直流電橋測量電路情況下輸出線性的特點。

圖1 半導體應變片特性對比實驗結果

(4) 曲線擬合部分。

每組所測數據，結合特性曲線，都可以分別進行數據擬合。計算出最大偏差，最小偏差、線性度、靈敏度、均方差、零點和繪制出相應的擬合曲線。實驗平臺中對測量曲線和擬合曲線的自動繪制省去了學生純手工繪制的麻煩和誤差。而且學生也可以用手算的形式來驗證平臺的計算數據是否正確，同時達到對擬合曲線的實現方法的鞏固。以圖1為基礎進行的兩組曲線擬合結果如圖2所示。

圖2 半導體應變片的擬合直線方程及特性參數

其中，A組曲線擬合為半導體半橋差動工作方式下的擬合直線方程及特性參數。B組曲線擬合為半導體單臂工作方式下的擬合直線方程及特性參數。

由擬合直線靈敏度參數可以看出，半橋差動方式時靈敏度為0.56，單臂工作方式時靈敏度為0.27，兩者之間為近似2倍關系。這與應變片在直流電橋測量電路中的原理是一致的。所以驗證了應變式傳感器的測量電路的工作原理。同時學生可以從圖中清楚地觀察到各個測量點之間的關系從而得知傳感器的特性，還可以觀察到擬合直線的與測量點之間的關系，還可以從平臺上觀察到的特性參數與自己計算的靜態特性參數作出對比，看自己計算的方法是否有誤。

(5) 數據存取操作。

實驗平臺還可實現對采樣點數據及特性曲線的保存和讀取。通過保存功能可以實現對測量數據及曲線的保存，以防數據的丟失。另外數據及曲線的結果還可能在單獨讀取出來顯示或者在實驗報告頁當中讀取顯示結果以供老師審閱和批改。

1.3.2 測量模塊

測量模塊主要包含數據采集、分析處理和結果顯示3大方面內容。本文設計的動態測量模塊兼有模擬示波器的傳統旋鈕功能，還加入了頻譜分析、波形測量、存儲和讀取等功能，節省了大量示波器、電壓表、和頻譜分析儀器。傳統的這些測量儀，一方面成本昂貴，另一方面使用起來損壞率較高，用LabVIEW實現虛擬儀器來實現這些儀器的功能，省去了對這些設備的硬件維護的麻煩，也節省了大量的人力和資金。

(1) 硬件設置。

主要是設備號和采集通道的設置。根據實際接口的模擬通道號進行相應配置。只有正確設置了硬件接線才能進行正常的數據采集。

(2) 量程、采樣數和采樣率設置。

根據實際采樣信號的頻率和實際需要合適的采樣率、采樣數和量程設置。采樣數可直接輸入，量程根據下拉列表選擇，采樣率由旋鈕來實現。

(3) 測量結果顯示部分。

本測量模塊可以實現傳感器的靜態與動態測量。波形顯示部分主要是利用x-y波形圖實現對所采集模擬信號的時域波形的顯示和頻譜顯示。

根據工程量與電壓量選擇控件，可以實現工程量(如位移等)與電壓量的測量。如果是工程量測量的話，通過靜態特性中得到的擬合曲線，可以得到零點和靈敏度，可以實現相應工程量轉換顯示，如果是電壓量測量則直接顯示。測量數據部分主要實現所測量通道的波形頻率、波形周期、幅值、平均值、最大值和最小值的測量。

(4) 結果保存與讀取。

實驗結果還可以進行波形或數據保存，同樣方便實驗觀察與實驗結果的報告提交。

1.3.3 網絡通信模塊

本實驗平臺利用LabVIEW的網絡通信功能可以實現實驗中的2大功能:設備共享與實驗結果的網上提交。

對于設備共享，針對不同的應用和不同的層次，LabVIEW提供了多種網絡通信方式供用戶靈活選擇。應用最廣泛有3種通信方式:DSTP協議的DataSocket編程、TCP編程、LabVIEW Web Server。

前兩種網絡數據通信方式雖然可以很方便地用來傳輸現場數據到遠程瀏覽，但是在遠程計算機上必須也要編寫程序來接收數據。通過使能本地的Web服務器，用戶可以不需要任何編程就能在遠程計算機上通過網頁或LabVIEW連接本地VI前面板。通過比較，本設計當中選用了第三種通信方式LabVIEW Web Server。通過網絡設置可以使至少兩臺計算機和實驗臺共享一個NI數據采集卡，從而達到設備共享的目的。

而對于實驗結果的網絡發布本平臺采用了直接將前面板發布到網頁的方式實現。同時將網頁轉換成pdf格式的文件然后以郵件形式發送給指導老師，指導可以進行評閱和批改。

2 實驗結果

電容式傳感器靜動態特性實驗:本實驗是用CSY實驗臺上的變面積差動式電容傳感器進行標定與測量的。

2.1 靜態特性測試及結果

首先在實驗臺上搭好測量電路，按照實驗要求連接完成后，將傳感器的輸出信號接采集卡的0通道。按照螺旋測微儀每次移動0.5 mm改變電容傳感器的有效面積來改變測量電路的輸出。位移范圍取-0.25~+0.25 mm，每移動0.5 mm就采樣一個數據點，圖3中的散點即為測量的標定點。從圖3中散點可以觀察到此電容傳感器在零點附近存在明顯的遲滯現象。正向與負向測量過程中零點不重合。從擬合直線方程中可以看出，本實驗中的電容傳感器有一零點的負向偏差0.20。靈敏度為1.99 V/mm。

圖3 差動電容式傳感器靜態特性測試結果

2.2 動態特性測試結果

圖4為動態測試結果。因為靜態標定時有負向的零點偏移，所以動態測試中的振動波形也存在零點負向的振動偏差，即波形不是在時間上下對稱，而是有一負向偏移。基本與標定情況一致。

圖4 差動式電容傳感器動態測試結果

3 結 語

本實驗平臺給學生提供了一種全新的學習和實踐環境，同時利用網絡技術與虛擬儀器技術相結合構建的實驗室，實現資源共享、數據共享以及遠程測控，可以最大限度地利用現有設備，不僅可以節省大量儀器設備的經費投入，而且為教學提供了一種全新的現代化教學手段，實現實驗環節的網絡化，體現了實驗平臺的先進性，也大大提高了教學效果。同時在實驗考核方面也起到了杜絕抄襲現象，提高了學生做實驗的主動性和實用性。由于目前實驗室條件有限，暫時還未實現傳感器動態特性測試以及時間關系還未實現傳感器幅頻與相頻特性分析。

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