基于虛擬儀器的傳感器實驗項目開發

劉偉 袁曹浩 陳哲 王雪東 南京鐵道職業技術學院 江蘇南京 210000

1 引言

《傳感器與檢測技術》課程是高職院校電類專業教學計劃中的一門重要專業基礎課，該課程涉及面廣、應用性強，然而在教學中由于綜合實驗條件的欠缺，導致課程教學內容常常偏向傳感器工作原理等理論化教學。傳統傳感器實訓裝置價格昂貴，后期維護費用高，且可操作性不強，以我校為例，采用了中德棟梁的DLCG-DS110X傳感器實訓系統，該系統測量模塊精度不高，且損壞率高，后期維護費用大，電路參數不可以靈活調整修正，以至于可操作性不強。本項目考慮利用多數據采集儀和虛擬儀器LabVIEW的圖形化語言構建人機界面，實時顯示和處理采集數據，通過不同傳感器及其測量電路的搭建，實現溫度、光強、轉速等參數的檢測。

2 硬件系統和軟件系統

本系統用到的硬件包括：測控對象、傳感器、數據采集儀、多路輸出電源模塊、計算機和虛擬儀器LabVIEW。在實驗箱面包板上搭建檢測電路，輸出參數經多通道數據采集儀處理后送至計算機，在計算機中用LabVIEW設計可視化人機界面，實時顯示采集數據的數值和時序圖，并可進行放大倍數、采樣速率等參數的調整。

多路輸出電源模塊：用于給數據采集儀、傳感器和測控對象等提供+5V、±12V、+24V和多路輸出直流電源，其中數據采集儀需要+12V供電。除多路輸出采用五芯航空插頭外，其他輸出都采用兩芯航空插頭。

數據采集儀：傳感器的作用是將實時連續變化的非電（大部分情況下）物理量轉化為與之線性或非線性相關的電參量，也是模擬信號，標準（±10以內）的模擬電信號可以直接由示波器等測量儀器檢測顯示，但計算機或單片機等處理器需要將模擬量轉換為數字量，才能對數據進行分析、處理和顯示。因此，需要采用數據采集儀完成A/D轉換。數據采集儀與計算機采用USB接口連接，支持熱插拔，使用方便。使用前需要安裝驅動程序。

LabVIEW軟件平臺：NI公司的LabVIEW軟件平臺具有強大的圖形化系統設計能力，是目前最佳的虛擬儀器程序設計語言，可實現與硬件無縫對接。

3 系統設計

系統設計分為硬件部分和軟件部分，以光照強度測量實驗為例。在實驗箱面包板上搭建光敏電阻光強測量電路。光敏電阻通過對數二極管進行對數壓縮后，理論上其光電流與光照強度成線性關系。首先要測量出該傳感器經過對數壓縮后的線性函數表達式，才能利用光敏電阻完成相關量的測量。

圖 1 光敏電阻光照強度測量電路圖

圖2 分立元件電路圖

系統主程序采用LabVIEW狀態機模式進行設計，程序框圖如圖3所示。各參數測量實驗采用子VI進行設計，將采集到的數據進行線性擬合和計算，在前面板中顯示測量精度和線性度。選擇采樣通道選擇“5”，采樣頻率選擇“3”，采樣長度選擇“1024”。運行程序進行光敏電阻對數壓縮后的線性關系的測量。

圖3 光強測量程序圖

在實驗過程中改變CdS光敏電阻的光照狀況，用照度計測量該光照狀況下的光照強度，如果改變光照強度狀況后電壓變化量比較小，可以電阻VR1的阻值調整電路的放大倍數。多次調整光敏電阻受光面的光照狀況，接著用照度計測量該光照狀況下的光照強度，可采集多次輸出電壓，記錄數據描點畫出特性圖。

線性曲線通常用函數關系式y=k*x+b表示，其中橫坐標x表示光照強度（Lx），縱坐標y表示傳感器輸出的電壓。當傳感器的輸出電壓為已知量而被測對象為未知量時，該線性函數關系式則可表示為：x=(y-b)/k，也就是說利用線性函數關系式就可以實時的測量傳感器的輸出電壓進而計算出被測對象的量。

4 結語

該系統可采用分立元件自行搭建電路，成本較低，易于維護，學生可在此實驗系統基礎上利用各類傳感器搭建調理電路，進行設計和創新實驗，理論聯系實際，可以有效提高學生的動手能力、排查故障能力，更好地理解理論內容，激發學習興趣和探索精神。