傳感器與虛擬儀器實驗室建設與教學

盧亞平， 宋天麟

(蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州 215325)

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傳感器與虛擬儀器實驗室建設與教學

盧亞平， 宋天麟

(蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州 215325)

為了適應學院工科類專業建設和發展的需要，貫徹國家學以致用的培養方針，滿足社會應用型人才的社會需求，根據學院現有實驗條件和學科建設的需要，組建一個涉及傳感器技術、檢測技術、虛擬儀器Labview技術為一體的新型虛擬傳感器實驗室。該實驗室建設既能完成課內教學項目，又能實現課外開放項目，使學生在實驗實踐教學過程中能夠提高學習積極性和專業創新性。其中課內教學項目主要目標為提高實驗實踐教學質量、豐富實驗實踐教學和提高實驗室利用率；課外開放項目主要能面向學生的興趣小組項目、技能比賽項目、大學生創新項目、學生畢業論文和教師的科研。

實驗室建設; 虛擬儀器; 傳感器; 檢測技術

0 引 言

隨著計算機、軟件、以及電子技術的快速發展，使新的測試理論、測試方法以及設備結構不斷涌現并發展成熟，在許多方面改變了傳統測試技術的概念。虛擬儀器技術逐步形成一種發展趨勢，虛擬儀器技術的應用早已突破最初的儀器控制和數據采集的范疇。不僅應用于控制系統、嵌入式設計等，還在電子電氣、射頻與通信、裝備自動化、汽車、能源電力等領域廣泛應用。虛擬儀器技術將對21世紀的科技進步與社會經濟發展起到重要作用[1]。

當前學院傳感器實驗室條件嚴重滯后，設備使用近10年歷史，具有老化、檢測數據不穩定、實驗效果不佳等問題；并且沒有專設的虛擬儀器實驗室。現有的傳感器實驗室條件只能滿足部分課程的驗證性基礎實驗教學，沒有創新性實驗、虛擬儀器實驗等基本教學條件。如今虛擬儀器技術在各企業廣泛應用，企業需要這方面的人才，培養這方面的特色人才迫在眉睫[2]。

1 新型實驗室建設的必要性

計劃建設以傳感器為主，虛擬儀器為輔的一體化新型實驗室，重點使學生了解并掌握傳感器類型、應用、設定、調節，通過Labview軟件編程練習和結合硬件的數據采集實驗，掌握圖形化編程方式 (G語言) 與虛擬儀器平臺的基本操作，培養學生實際動手能力，創新能力、獨立思考與解決問題的能力，真正培養創新應用型技術人才，滿足企業及地方經濟發展的要求，同時也能基本滿足教師的科研任務[3]。

設備具有先進性，傳感器把采集到的信號通過PCI信號采集卡送達到電腦中，電腦通過Labview軟件編程與組態，完成信號的處理與顯示。消除了一般設備因線路老化而帶來的干擾問題，使得數據測量保持穩定，且各傳感器模塊分散獨立，互不干擾[4]。

新實驗室建設具有以下特點：①開放性。全面開放虛擬傳感器平臺，學生與老師可參與系統設計與應用開發；②模塊化。為消除原傳感器實驗室因所有傳感器電路集成在一起而相互干擾的問題，所有傳感器設備都需采用模塊化結構，根據所做實驗內容拿出對應的模塊即可，為基礎教學和創新實踐教學提供方便；③工業化。采用工業級標準零部件，確保系統穩定性，質量可靠。④利用率高。滿足工科類各專業的傳感器課程實驗部分，滿足虛擬儀器課程實驗和設計部分，并能為教師的科研和學生的論文、項目、比賽提供平臺。⑤設備維護方便。虛擬儀器的最大的優點是用軟件代替硬件，大大省略了硬件的維修，并且大部分硬件都模塊化，即使出現硬件問題，更換也很方便，不會導致整個系統癱瘓[5]。

2 總體規劃

為了滿足課內教學項目和課外開放項目要求，將傳感器與虛擬儀器實驗室建設內容劃分3部分，采用循序漸進的方式，分為基礎技術部分、專業技術部分、應用技術部分。基礎技術部分可滿足各相應專業的傳感器課程實驗部分，專業技術部分為虛擬儀器課程設置，應用技術部分專為學生提供大學生創新項目、畢業論文、比賽等情況而設置[6]。

2.1 主要技術性能指標

購置設備的主要技術性能指標和配置的要求如下：

(1) 虛擬儀器軟件。NI公司的LabView 7.0以上。電腦：CPU(i3)、內存2GB、硬盤100GB、光驅、工業主板、顯示器。

(2) 虛擬儀器數據采集卡、電纜和接線端子板。PCI數據采集卡，模擬量輸入通道數：單端16路，雙端8路，A/D轉換分辨率：12位；模擬量輸出通道數：2路， D/A轉換分辨率：12位；數字量輸入：16路；數字量輸出：16路；16位計數/定時器：3路。

(3) 電源。滿足各類模塊供電要求，帶錯接保護電路(±5 V、±12 V、±15 V、24 V) 。

(4) 各類傳感器及相應模塊。涉及基礎技術部分即傳感器課程實驗。

2.2 實驗要求

基礎技術部分實驗涉及檢測基礎、傳感器技術等課程的實驗，專業技術部分實驗涉及虛擬儀器課程實驗。各實驗項目的舉例典型，實驗效果佳，實驗數據易出。各相應模塊應帶錯接保護電路、帶抗干擾措施、防氧化和防震等措施[7]。

由于一般實驗課程的總課時為18學時，一次實驗學時為3學時，一般需設計6個實驗項目,并有具體應用實例，具體應用實例為某項目的擴展實驗，一般為社會典型應用[8]。

基礎技術部分實驗項目：實驗1，應變片電阻傳感器實驗(單臂)。實驗2，應變片電阻傳感器實驗(雙臂)。實驗3，電容式傳感器實驗。實驗4，電感式傳感器實驗。實驗5，光電傳感器的實驗。實驗6，霍爾傳感器的實驗。實驗7，超聲波傳感器實驗。

具體應用實例：應變片傳感器的應用——電子秤；霍爾傳感器的應用——測速電機；光電傳感器的應用——光電測速。

專業技術部分實驗項目：實驗1，labview軟件入門。實驗2，基礎編程實驗。實驗3，文件存取實驗。實驗4，信號頻域分析實驗。實驗5，數字濾波實驗。實驗6，虛擬溫度測試實驗。

具體應用實例：虛擬儀器應用——簡易示波器；信號發生器；虛擬溫度控制。

3 實驗室建設

通過學院招標建設，基本完成實驗室的建設。其中采用工業自動化設備中常用的傳感器，涵蓋光電傳感器、電感傳感器、超聲波傳感器、電容傳感器和應變傳感器等多種常用傳感器，覆蓋開關量、模擬量等不同信號類別。學生通過傳感器接線訓練、傳感器調試及使用PCI采集卡進行信號采集與編程功能等，能完成信號轉換、變送、采集、儀表顯示與控制的主要實驗功能。如圖1所示，該裝置模塊接線端子，均采用安全型插座，使用帶安全插頭的導線進行電路連接；各指令開關、光電開關、傳感器和指示元件的電路通過端子排進行連接。既保證學生基本技能的訓練、形成和鞏固，又保證電路連接的快速、安全和可靠，具有漏電保護裝置，安全性符合相關的國家標準，可確保人身與設備安全[9-10]。

圖1 智能檢測與虛擬儀器實訓裝置

整個裝置有4個掛箱，分別為輸入輸出掛箱、模擬量掛箱、控制儀表掛箱，按鈕及繼電器掛箱。輸入輸出掛箱主要列出PCI卡開關量的輸入輸出接口，模擬量掛箱主要列出PCI卡模擬量的輸入輸出接口和定時計數接口，控制儀表掛箱主要涉及智能儀表的輸入輸出，按鈕及繼電器掛箱主要提供一些開關及繼電器的接口。2個收納盒放置各位傳感器，實驗時需把涉及的傳感器安置在平臺上，接線完成實驗[11-12]。

裝置關鍵采用PCI8932信號采集卡和labview8.5應用軟件。使平臺上的傳感器檢測信號，通過PCI8932信號采集卡把檢測到的信號處理后送入電腦的Labview8.5應用軟件，并在labview軟件界面上顯示所需要的檢測值。Labview的各實驗界面操作簡單,并在相應實驗指導書中給出具體操作步驟,使基礎技術部分實驗的學生在沒學習Labview軟件的情況下,也能操作軟件,完成基礎技術部分的實驗項目[13-14]。專業技術部分實驗主要以學習Labview軟件為主，在此不做具體說明。

4 新實驗室建設后完成的教學任務

實驗室建設以后，在2013～2014學年里承擔了大量的實驗教學、學生畢業論文等任務，根據表2～4所示，基礎技術部分完成了7個班級，共108課時的實驗。專業技術部分完成了2個班級，共114課時的實訓。另在應用技術部分也取的了優異的成績，以該實驗室為基礎平臺，申報了2014江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目，參加了2014江蘇省大學生機械創新設計大賽和完成了學生畢業論文設計。

5 結 語

實驗室建設是各大院校培養學生實踐創新的首要條件,也是各學院實驗實踐教學改革研究項目之一，集合學院專業特色提出一個傳感器與虛擬儀器集為一體的并符合國家人才培養要求的實驗室建設方案, 該建設方案能滿足三個層次的實驗教學需求，能夠完成課內教學項目和課外開放項目的任務，經過1年的運行,實驗室完成了7個班級的基礎技術實驗,2個班級的專業技術實驗和一些應用技術部分的任務,驗證了該方案的可行性,并在實際運行中取得了良好的教學效果，學生與教師普遍反映設備使用效果較好。該方案目前在國內高校具有推廣價值。

表2 2013-2014學年基礎技術部分情況

表3 2013-2014學年專業技術部分上課情況

表4 2013-2014學年應用技術部分情況

[1] 盧亞平,任 曉,秦擁軍.分散控制系統實驗室的改進與創新[J].實驗技術與管理,2014,31(5):255-258.

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[3] 張 文.基于虛擬儀器的實驗室建設研究[J].內江師范學院學報，2004,19(2):95-98.

[4] 黃天辰,馮長江,黃興智,等.虛擬儀器實驗室建設研究[J].華北航天工業學院學報,2006,16(7):18-20.

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[8] 宋德杰.傳感器技術與應用[M].北京：機械工業出版社,2014.

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Construction and Teaching of Sensor and Virtual Instrument Laboratory

LUYa-ping,SONGTian-lin

(Applied Technology College, Soochow University, Suzhou 215325, China)

In order to meet the needs of college engineering specialty construction and development, to implement national education policy, and to meet the social demands for applied talents, according to existing experimental condition in our college and the discipline construction needs, we establish a new virtual sensor laboratory that involves sensor technology, detection technology, virtual instrument technology. The laboratory construction can accomplish the teaching in class, and also can realize the extracurricular open project. So that students from the experimental practice teaching process can improve learning motivation and professional innovation. The main goal of teaching in class is to improve the experimental teaching quality, enrich experimental teaching contents, and improve the utilization rate of the laboratory. Extracurricular projects mainly contain the projects to enhance student interest and skills in competition, students’ innovative project, students’ graduation thesis and the teachers’ scientific research.

laboratory construction; virtual instrument; sensor; detection technique

2015-01-17

盧亞平(1982-)，男，江蘇蘇州人，碩士 ，實驗師，研究方向:自動控制。Tel.:13962212905；E-mail:luyaping1982@126.com

TP 391.9

B

1006-7167(2015)08-0101-03