基于虛擬儀器技術的傳感器實驗教學系統研究

羅劉敏+王明霞+郭艷花+劉曉青

摘 要：為了提高學生做傳感器與檢測技術課程實驗的興趣，提高學生的自主學習能力和創新能力。本文使用功能較強大的虛擬儀器LabVIEW軟件和Multisim軟件，開發了一套傳感器與檢測技術實驗課程相關的實驗系統，該實驗系統能夠滿足傳感器與檢測技術課程的實驗要求。基于虛擬儀器的實驗系統設計是傳感器與檢測技術課程教學改革創新的體現，改變了傳統插拔式、驗證式的實驗現象，減少了實驗室建設的成本，有很大的推廣應用價值，有利于學校轉型發展的需要——培養應用型技術人才。

關鍵詞：傳感器 虛擬儀器 實驗教學 LabVIEW

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0231-03

Abstract： In order to improve the students' interest in the experiment of sensor and detecting technology and improve students' ability of self-learning and innovation.This paper develope a set of experimental system which is based on LabVIEW and Multisim software.The experimental system can meet the requirements of sensor and detecting technology course experiment. The design of the experimental system based on virtual instrument is the embodiment of the teaching reform and innovation of the sensor and detection technology course. It changes the traditional plug-in and verification experimental phenomenon， reduces the cost of laboratory construction， has great popularization and application value，and be beneficial to the need of School Transformation and Development - Cultivating Applied Talents.

Key Words： Sensors； Virtual instruments； Experimental teaching； LabVIEW

隨著科學技術的發展，自動化程度越來越高，從而對傳感器技術的依賴越來越強。就高校教學來說，當前的傳感器技術實驗課程內容已經不能滿足人才培養的新需要，主要體現在以下幾個方面：一是教學內容陳舊，以驗證性實驗為主，與工程實踐脫節嚴重；二是教學方式單調枯燥，缺乏直觀性；三是實驗方法和手段因實驗設備的定型而很難改動；四是傳統的實驗教學設備大多缺乏信息的直觀顯示和存儲能力等[1-2]。“虛擬儀器技術”就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量及自動化的應用[3]。它是現代測試技術、計算機技術和電子儀器技術相互結合滲透的產物，它以軟件取代傳統的電子儀器，打破傳統系統儀器在數據的表達、分析、處理、傳輸、存儲等方面的限制，包括硬件和軟件兩個基本要素。若將傳感器實驗教學與虛擬儀器技術相結合，必將有助于提高實驗教學設備的先進性，有效地提高學生的實際動手能力，更好地激發他們的學習興趣和探索精神，實現實驗教學與工業實際應用的充分銜接[4-6]。

本文以虛擬儀器LabVIEW軟件和Multisim軟件為開發平臺，設計周口師范學院傳感器與檢測技術實驗教學平臺，該平臺實時性和擴展性比較強，可以緩解傳感器與檢測技術實驗設備緊缺的問題。利用該平臺可以提高學生的實驗興趣和實驗效率；增強實驗效果；鞏固對該課程的理論知識的掌握；便于他們在實驗中全面接觸各種新興技術，并將其與所學的專業知識融會貫通。

1 虛擬傳感器與檢測技術實驗平臺解決的關鍵問題

1.1 傳統驗證性實驗和虛擬綜合設計實驗協調問題

傳統的傳感器實驗教學都是在CSY系列傳感器實驗平臺完成，實驗內容和實驗方式都比較單一。虛擬儀器技術的發展充分展現出了性能高、擴展性強、開發時間少、出色的集成以及基于計算機的出色的顯示和存儲優勢，將虛擬儀器技術引入傳感器實驗教學，既提升了實驗設備的水平，又大大節約了學校更新實驗設備所需的投資，而且通過這一綜合性實驗為提高學生全面運用所學知識的能力創造了良好的實驗條件。虛擬儀器在傳感器課程教學中的應用也大大拓展了學生的知識面，使得原本枯燥的理論教學變得直觀有趣，激發了學生的學習興趣，增加了學生的動手機會，也在一定程度上培育了他們的探索精神和創新能力。同時也提高了《傳感器與檢測技術》實驗教學方面的效果和質量，有力地推動了教學改革[7]。

1.2 實驗室開放問題

傳統的傳感器與檢測技術實驗課程，教學方法比較單一，而且實驗的內容大多都是驗證性和插拔性的，學生做實驗時只要照著書上的實驗步驟和電路圖進行連接，即可完成相應的實驗[8]。學生要想完成開放性實驗，還要聯系實驗室管理員，由實驗室管理員告知實驗室是否空閑，且必須在相應的實驗室內完成，受時間和地點的限制。

虛擬傳感器與檢測技術實驗教學平臺，可以不受時間和地點的限制。只要有校園網的地方，學生都可以進行實驗學習。它給學生提供了較寬松的實驗環境和較大的創新空間，把更多的時間留給了學生自主探究和自主思索，更加注重學生的理論和實踐的結合，極大地增加了實驗室的開放程度[9]。endprint

2 虛擬實驗平臺總體搭建

虛擬實驗教學平臺分為四級界面：一級界面：實驗教學系統登錄界面，包含輸入用戶名和密碼；二級界面：用戶信息顯示界面，包含顯示用戶名、權限及登錄時間；三級界面：用戶管理界面，包含刪除和增加新用戶；四級界面：具體實驗目錄界面組成，包含小型稱重系統設計、霍爾傳感器位移測量系統、電渦流傳感器測速系統設計、光電傳感器轉速測量、熱電偶溫度測量系統設計及自主設計類實驗[10]。該實驗平臺總體搭建框圖見圖1。

為了實現虛擬傳感器與檢測技術實驗，根據虛擬儀器LabVIEW本身使用特點，實驗平臺的總設計分為前面板和后面板兩個面板，其中前面板相當于傳統實驗儀器的外部控制面板，后面板相當于傳統實驗儀器中的內部實際電路，主要用來實現前面板功能的程序框圖。

3 傳感器與檢測技術虛擬實驗室的設計與實現

本文以設計小型稱重裝置為例，介紹虛擬實驗平臺的搭建，此裝置包含硬件部分和軟件部分，硬件部分包括金屬箔式應變式傳感器模型和測量電路兩部分，這兩部分是在Multisim中仿真設計的，軟件顯示和分析部分是借助虛擬儀器LabVIEW完成，整個測量系統的仿真全部在Multisim和LabVIEW軟件環境中完成，最終可直接顯示重量值。

3.1 硬件電路設計

此裝置采用金屬箔式應變設計的小型稱重裝置，硬件部分是在Multisim中仿真設計，包括應變模型和測量電路兩部分。

在Multisim中建立的代替應變片的模型，搭建的綜合電路設計見2。

3.2 顯示子程序設計

顯示模塊是在LabVIEW虛擬儀器中設計，輸入和輸出的數學關系通過在Multisim中搭建的測量電路進行仿真得到的實驗數據。在LabVIEW中建立VI子程序。在前面板中選擇相應框圖，建立的小型稱重系統程序框圖見圖3。

3.3 前面板設計

前面板是用戶與程序交互的窗口，主要用于設置輸入控制參數和觀察輸出量，小型稱重系統的前面板由輸入控件和輸出控件組成。輸入控件用來輸入電壓值和重物的單價數值，主要為VI的程序框圖提供數據。輸出控件除了顯示電阻的變化量、質量以及總金額，還包括了儀表盤顯示面板和超重指示燈。整個設計完成后，對電路進行調零后，分別對18g和74g的重物進行了仿真驗證，仿真結果見圖4，從仿真結果上看，雖然存在誤差，但基本符合設計要求。

4 網絡平臺設計

為了使實驗不受時間和環境的限制，真正實現設備資源的共享性和實驗教學的開放性，此實驗系統基于TCP/IP協議，采用LabVIEW虛擬儀器網絡通信技術實現VI程序能夠被遠程控制和訪問。

5 結語

本文基于LabVIEW虛擬儀器和Multisim仿真軟件進行了傳感器與檢測技術實驗系統的設計，為學生提供了一個創新設計和自主學習的平臺，該系統改變了傳統插拔式、驗證式的實驗現象，減少了實驗室建設的成本，實現了隨時隨地進行實驗的目標，提高了實驗設備的共享性和開放性，有利于應用型人才的培養。

參考文獻

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[10] 汪興海，黎漫斯，凌云峰，等.電工電子實驗教學虛擬儀器儀表實驗室構建[J].系統仿真技術，2013（3）：283-286.endprint