傳感器與檢測技術的網絡實驗室構建

姜海燕， 宋慶軍， 謝統顏

(山東科技大學(泰安校區)，山東 泰安 271019)

0 引 言

傳感器與檢測技術是工業自動化、機器人、生物醫學、航空航天等技術的基礎，因此，傳感器與檢測技術是自動化專業必修課程，掌握傳感器的原理、性能特點和應用就越來越重要。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》要求“加強實驗室、校內外實習基地等基本建設……”。而且，當今是一個科技技術發展迅速而且變化很快的時代，因此，要使學生適應這種形式，必須重視實驗教學。而傳統的實驗室和儀器的數量很難滿足學生的需求[1]，傳感器與檢測技術的網絡實驗室便應運而生。

另外，在國內很多大學的網絡實驗與網絡課程差不多，給出了Word(或PDF)格式的實驗教案、實驗指導書以及思考題，有的學校給出了實驗錄像。此類網絡實驗是單向的而非反饋式或雙向的，實驗者無法親身體驗實驗過程，實驗最基本的目的—提高學生的動手能力和解決工程實際問題能力便成為紙上談兵。

1 原傳感器與檢測技術實驗室

傳感器俠義定義：能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出的電信號器件或裝置。傳感器實驗就是通過對傳感器施加感應信息，通過測量電路輸出電壓(或頻率)信號，并分析傳感器的動靜態特性，以及傳感器在實際應用和選擇上應注意事項。

原有的傳感器與檢測技術實驗室主要包括兩類實驗：CSY3000型傳感器試驗臺和綜合測控實驗臺。CSY3000型傳感器試驗臺主要是原理型、驗證型實驗，包括金屬薄式應變片實驗、電容傳感器實、電感/電渦流傳感器實驗，溫度傳感器實驗等。CSY環形帶綜合測控實驗臺是傳感器在實際中的應用，包括材質的識別、數量的計算、轉速的測量與控制、高度檢測與控制、位置的檢測與控制等。

該實驗室可以開設50多個實驗，但受到教學計劃的影響，一個班通常只開設幾個或十幾個實驗。對于那些熱愛實踐學習、喜歡動手操作的學生，在網上給他們提供一個實驗平臺；另外，對于那些熱愛此專業的自學者也提供了一個很好的實踐環節。

2 傳感器與檢測技術網絡實驗室構建

傳感器與檢測技術網絡實驗室主要完成兩種實驗類型：第一類是虛擬傳感器與檢測技術實驗系統，實現傳感器或檢測方法的虛擬仿真實驗，又稱軟件共享；第二類是傳感器的遠程測控實驗系統，實現了自動檢測系統硬件的共享，客戶端能對實驗設備遠程控制，又稱硬件共享。

2.1 虛擬傳感器與檢測技術實驗系統

這種實驗不涉及到硬件設備的調用，客戶端通過訪問服務器端的軟件程序實現虛擬實驗，所完成的實驗是原理型、驗證型實驗，采用B/S(Browser/Server)模式[2-4]，CSY3000型試驗臺上完成的傳感器原理的實驗采用此模式。下面以電渦流傳感器為例，說明交互式虛擬傳感器的構建過程。

電渦流傳感器主要包括位移特性實驗、被測面積對電渦流傳感器特性的影響、被測體的材料對電渦流傳感器特性的影響、電渦流傳感器在電子稱中的應用，通過這幾個實驗的實驗數據共同分析電渦流傳感器的特性及應用。利用 3DS MAX 、Cult 3D 以及LabVIEW軟件操作平臺，實現傳感器虛擬雙向反饋式實驗，主要包括虛擬實驗室場景(實驗室房間、窗戶、桌椅、燈光等)構建、虛擬實驗實體(實驗儀器、設備等)構建、建立實體關系，用戶交互單元的設計、實驗過程的監視與指導這幾個過程。

(1) 三維模型的建立。用現成建模工具3D MAX軟件建立三維實驗場景、虛擬設備模型可以縮短建模時間，提高模型逼真度，主要包括建框架、編輯材質、貼圖、打燈、渲染5 大基本步驟[5-6]，模型建立完后，利用 3D MAX 的 Export 功能將該場景導出為*.c3d格式文件[7]。

(2) 交互單元的設計。Cult 3D 軟件可以讓建立好的模型增加互動效果，這是一種窗口型虛擬現實平臺，能在網頁上建立互動的三維模型。Cult 3D軟件在對三維模型的三維交互操作上與其它Web 3D技術是一致的。但是，這些Web 3D技術(如VRML、3DML等)支持的是用源代碼直接進行三維模型設計，需要開發者精通Java、C等基本編程語言，對于非專業三維建模人員來說有一定的困難。而Cult 3D軟件是3DS Max等可視化三維建模軟件輸出的一個外掛插件，另外，Cult 3D軟件支持ActiveX控件，為完成窗口虛擬現實，提供了方便的接口技術。

Cult3D Export Pulgin為3D MAX增加一個*.c3d的文件格式；Cult3D Designer是Cult 3D的核心技術，能夠對*.c3d文件中的三維模型對象賦予旋轉、縮放、聲音、攝象機導航等動畫特性和交互響應特性，其輸出格式為*.co格式。所以，利用Cult3D Designer對剛才輸出的*.c3d格式文件進行交互設計，合成虛擬實驗室場景以及虛擬實驗實體后，保存為*.co格式，而且*.co格式已嵌入到LabVIEW中。

(3) 3D模型在LabVIEW中運行。LabVIEW是Nl公司推出的虛擬儀器軟件開發工具，采用圖形化編程語言(G語言)，內置很多控件(支持ActiveX控件)，可以很方便地創建用戶界面。ActiveX采用客戶機/服務器的模式進行不同應用程序的鏈接，LabVIEW既可以作為ActiveX的客戶端，又可以作為ActiveX的服務器。在LabVIEW ActiveX控件中選擇“Cult3D ActiveX Player”對象，在程序框圖中打開Cult3D輸出的* . co文件，點擊運行就可以看到3D模型。

(4) 分布。LabVIEW自帶內置Web服務器，具有網頁發布功能，采用HTTP 協議進行通信。這種方式VI運行在服務器端，客戶端通過網頁瀏覽器與服務器上VI的前面板進行交互。

其虛擬仿真界面如圖1所示[7-10，12-13]。

圖1 電渦流傳感器的虛擬仿真界面

2.2 傳感器與檢測技術的測控實驗構建

CSY環形帶綜合測控實驗臺是各種傳感器在實際中的應用，其目的是培養學生綜合運用傳感器基本理論知識分析工程實際問題的能力，通過LabVIEW軟件及相關的硬件實現該試驗臺的遠程測控系統。

該系統中，虛擬儀器和客戶端必須同時具備了收發數據的功能，因此，需采用C/S(Client/ Server)模式[9]。考慮到系統應用的安全性和規模性，將服務器分為Web服務器和Application 服務器，Web服務器負責與多個客戶端進行數據的傳輸和軟件的共享，而Application 服務器用于控制傳感器和執行機構，以及運行LabVIEW，其結構如圖2所示。

圖2 遠程測控實驗結構框圖

傳感器與檢測技術遠程測控實驗采用的是TCP/ IP協議[10-11]，遠方的客戶通過TCP/IP協議遙控服務器端所連的設備運行狀態，通過圖形化界面實現實驗設備的啟動或停止。程序的設計包括兩個VI，一個是服務器端VI，一個是客戶端的VI，其中服務器的啟動子程序流程見圖3所示。

圖3 服務器的啟動VI的流程圖

在建立客戶端和服務器端之間的通訊時，應當注意，除了指定Internet地址之外，還必須指定通訊端口號，端口是一種抽象的軟件結構，包括一些數據結構和I/O緩沖區。應用程序通過系統調用與一定的端口建立綁定，端口便成為應用程序訪問數據傳輸服務的入口，這樣通過端口就可以建立進程之間的通信。端口號的范圍是0～65 535，端口號最好不要低于1 000，同時，客戶端和服務器的端口號必須相同，才能進行有效的通訊[12-14]。

系統要實現實時實驗，必須具有視頻和聲音的采集和傳輸，客戶端通過視頻隨時了解現場測控情況。本系統采用NI PCI-1408的視頻采集卡配合NI- IMAQ的圖像采集軟件，利用LabVIEW 與ActiveX 軟件, 實現了實驗過程的錄像、拍照、視頻預覽以及數據的實時傳輸等功能。主要包括攝像頭圖像的抓取、LabVIEW 視頻的壓縮保存、視頻圖像的簡單后處理三部分。通過視頻, 客戶端可以隨時了解現場運行狀況, 并發出控制，實現了實時測控[15]。

3 結 語

分析了目前國內大學虛擬實驗室存在的問題，建立了以3DS MAX 、Cult 3D 以及LabVIEW為軟件平臺的傳感器與檢測技術的雙向反饋式三維虛擬實驗。系統主要包括了三維虛擬實驗和遠程測控實驗，能方便地將傳感器原理的講解演示與真實的測控實驗合為一體，并且學生可以不受時間、地點的限制通過網絡完成相應的實驗。

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