基于虛擬儀器的傳感器實驗教學研究

劉崇科　祝忠明

【摘 要】傳感器實驗課程是信息類專業學生所必須學習和掌握的一門重要課程。傳統的傳感器實驗課程中存在實驗內容和步驟固定、學生參與度不高、設備更新換代困難等問題。在本文中，使用以LabVIEW為基礎的實驗軟件，結合泛華恒興公司的nextboard教學實驗平臺，介紹和討論了基于虛擬儀器的傳感器實驗教學方法。實踐表明，該方法使得實驗內容更加靈活、學生參與度提高，課堂效率顯著提高。

【關鍵詞】虛擬儀器；LabVIEW；傳感器

傳感器課程研究的是將各種非電信息與電信息相聯系的方法，涉及到這兩種信息之間的相互變化和相關的處理技術，而且隨著現代測控技術的飛速發展，傳感器技術扮演著越來越重要的角色。本課程要求學生了解并掌握傳感器的基本概念、特性、信息之間的轉換原理和處理方法，以及傳感器在實際工程中的應用等。

要使得學生快速且牢固地掌握傳感器的相關知識及應用方法，傳感器實驗課程在整個教學當中起到了非常重要的作用。通過實驗課程，學生可以更加直觀地了解到傳感器的工作原理和工作場景。但是隨著傳感器技術的不斷發展以及實際工程中對傳感器要求的不斷提高，傳統的傳感器實驗課程暴露出來一系列的問題，如實驗內容陳舊單一、實驗步驟死板、學生自身參與度不高、實驗設備落后且更新換代困難等。學生一般是在按照實驗指導完成實驗步驟之后，再將實驗數據填寫到固定的實驗報告中，甚至有的學生對實驗課程根本不感興趣，只是簡單地抄襲實驗數據后即上交實驗報告。這種情況下，不要說提高學生的創造力，就是知識的基本掌握也難以實現，3個小時的硬件實驗效果很差，這不能真正提高學生的能力[1]。

近年來，虛擬儀器技術發展迅速，已經有大量高校將之引進到了實驗教學當中，在傳感器實驗課程中也是有著較長時間的應用。通過硬件與軟件的有機結合，虛擬儀器技術使得學生既可以使用課程中已有的儀器，還可以通過圖形化編程語言自己定義出全新的儀器甚至實驗，使得學生參與度大大提高，有助于提高學生的興趣和對相關知識的掌握。除了上述優點，虛擬儀器還為學校節省了大量實驗開支，并且可以根據具體的教學要求更新實驗內容。

1 虛擬儀器相關技術

1.1 虛擬儀器

虛擬儀器一般由硬件平臺和軟件系統組成，其中硬件平臺主要負責數據的采集和傳輸，軟件平臺則主要負責對采集到的數據進行分析處理以及現實結果。通過在軟件上的操作就可以實現對硬件的控制，并且可以根據實際需要對軟件進行修改，從而實現各種不同的功能。虛擬儀器可以通過相同的硬件系統，通過不同的軟件獲得功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟件系統是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器[2]。

1.2 圖形化編程語言

虛擬儀器的軟件系統需要一種適合的編程語言來實現其分析處理數據以及顯示結果的功能，目前使用較為廣泛的是美國NI公司推出的圖形化編程語言：LabVIEW。不同于傳統的編程語言，用戶在使用LabVIEW時，可以直接使用代表各種儀器、組件、按鈕等的圖標來進行程序的編寫，使得用戶能夠非常直觀地觀察到自己所設計的電路，并且軟件中內置的各種函數，可以輕松地實現我們所需要的數據分析處理等功能。它可以在最基本的硬件支持下，根據測試需要，編制不同的軟件功能模塊實現各種實際的機械工程測試任務，并且具有很好的擴展性和性價比[3]。

2 虛擬儀器實驗教學平臺的優勢

虛擬儀器實驗教學平臺與傳統的實驗教學方式相比具有諸多的優勢，主要集中在以下幾點：

1）使用虛擬儀器實驗平臺，可以根據傳感器技術的發展和實際教學的需求，通過軟件編程的方式更新和設計所需要的實驗內容，使用相同的硬件平臺就可以實現各種不同的測試功能，而無需購買和更換新的實驗設備。

2）虛擬儀器實驗平臺通過軟件對采集到的數據進行分析和處理，大大縮減了取得實驗結果的過程，且因為是由計算機處理數據，保證了實驗結果的穩定性。而且通過軟件平臺就可以進行實驗結果的顯示，使得實驗結果更加清晰易懂，有助于學生快速理解傳感器相關原理，且更具有趣味性，能夠激發學生的實驗熱情。

3）虛擬儀器實驗平臺通過軟件對實驗平臺進行控制，在互聯網飛速發展的今天，我們可以在網絡上方便地與他人實現實驗相關數據的交流和共享，學生的實驗課程學習不再僅僅被局限在實驗室內。

3 虛擬儀器在傳感器實驗課程中的應用

這里以光敏電阻實驗為例進行說明。

光敏電阻實驗是傳感器實驗課程中較為基礎的一個實驗，學生可以比較容易地學會，而且有助于學生對于傳感器原理以及相應傳感器應用電路的理解。在本實驗中，通過改變光敏電阻所暴露環境的照度

可以通過軟件界面讀出光敏電阻阻值隨著照度的變化。

實驗步驟：1）在硬件實驗平臺上將所需的實驗元件安裝完畢；2）改變發光二極管的數量，從而改變光在光敏電阻上的照度，繼而引起光敏電阻阻值的變化；3）在軟件界面上觀察光敏電阻阻值隨照度發生的變化。

實驗結論：隨著照度的增加，光敏電阻的阻值呈下降趨勢，從而引起分壓電路中光敏電阻兩端電壓值的改變，在軟件界面中顯示一條與照度變化成反比的線性電壓直線。實驗過程簡單易懂，實驗結果符合預期，達到了較好的教學效果。

4 結論

與傳統的實驗方式不同，虛擬儀器技術采用了軟件和硬件相結合方式，硬件進行數據采集，軟件對采集到的數據進行分析和處理。這種方法不僅簡化和節省了大量的硬件，而且數據處理速度更快，處理效果更好，試驗結果顯示也十分生動形象，有利于加深學生對傳感器相關知識的理解和激發學生對傳感器實驗課程的興趣。虛擬儀器技術在實驗方式方法創新的基礎上，更提供給學生自己根據需要改進實驗的可能，只要使用相應的語言進行編程，就可以利用現有的硬件完成各種不同的實驗。在教學實踐中取得的結果顯示，基于虛擬儀器的傳感器實驗很好地調動了學生了積極性，鍛煉了學生的動手能力，并且激發了學生的創新意識和興趣，教學效果良好，具有很高的研究推廣價值。

【參考文獻】

[1]張向文.傳感器原理及應用課程教學改革的探討[J].科技資訊，2007（27）：150-151.

[2]柴曉飛.基于并行交替式數據采集系統的虛擬示波器研究[D].天津：天津工業大學，2007.

[3]劉君華，等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.