基于虛擬儀器的多傳感器實驗教學(xué)系統(tǒng)的研制

摘要：CSY-998型傳感器實驗儀集成多種傳感器，可以完成多種傳感器實驗，但其接線繁瑣、所需測試設(shè)備多、手工記錄數(shù)據(jù)誤差大。為了提高開放性創(chuàng)新實驗室的利用率，增強學(xué)生對傳感器的掌握，同時方便實驗教師對學(xué)生實驗進(jìn)程的管理，本文應(yīng)用LabVIEW軟件在上位機上設(shè)計了基于虛擬儀器的多傳感器實驗教學(xué)管理系統(tǒng)，包括實驗用戶管理、實驗項目管理、實驗權(quán)限、實驗數(shù)據(jù)處理、顯示等，從而增加了傳感器實驗的多樣性、創(chuàng)新性、實驗時間的自由性，解決了CSY-998型傳感器實驗儀的局限性，提高了教師對開放性實驗室的管理。

關(guān)鍵詞：傳感器實驗教學(xué)LabVIEW管理系統(tǒng)

傳感器實驗課程是工科院校學(xué)生掌握傳感器相關(guān)知識以及了解傳感器性能和作用的重要途徑之一，但是傳統(tǒng)的傳感器實驗課程采用統(tǒng)一的實驗授課方式[1]，學(xué)生在實驗時，按照實驗要求插接線，然后手工記錄數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)給實驗指導(dǎo)教師檢查簽字通過后，課后根據(jù)數(shù)據(jù)手動繪圖，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后上交實驗報告，學(xué)生在整個實驗過程中毫無主動性，更無法調(diào)動學(xué)生的積極性及創(chuàng)新性，學(xué)生的能力也得不到充分的培養(yǎng)。尤其是學(xué)校選購的浙江大學(xué)高聯(lián)公司生產(chǎn)的CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀[2，3，4]集成多種傳感器，內(nèi)置各種信號轉(zhuǎn)換及處理模塊，學(xué)生在在整個實驗過程中不僅需要根據(jù)不同類型的傳感器的輸出調(diào)試儀器，還需要根據(jù)各種傳感器的輸出信號不同使用各種專用的測試儀器[5]來完成，從而導(dǎo)致實驗難度增大，成本增加，不利于開放性實驗室的建設(shè)與管理。虛擬儀器[6，7，8]系統(tǒng)的用戶可以根據(jù)自己的需要，自行設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，如電壓表、電流表、示波器等。在虛擬儀器中主要采用LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）[9，10，11]進(jìn)行編程，它是一種圖形化的編程語言[12，13]，面向的是沒有編程經(jīng)驗的用戶而不是編程專家，因此十分適合工科類學(xué)生作為基本的軟件開發(fā)平臺[13，14]。只要一臺電腦加上傳感器實驗儀，就可以實現(xiàn)實驗室管理人員對儀器設(shè)備的管理，教師就可以了解傳感器實驗的進(jìn)展以及學(xué)生實驗的基本情況；而學(xué)生也可以根據(jù)自己的需要設(shè)計形式多種多樣的數(shù)據(jù)顯示界面，從而使傳感器實驗更具有趣味性、創(chuàng)新性，也能夠充分挖掘?qū)嶒炇屹Y源的獨特潛力，提高實驗室的利用率。

一、實驗硬件平臺介紹

本文所介紹的多傳感器實驗教學(xué)系統(tǒng)是基于虛擬儀器以及浙江大學(xué)高聯(lián)公司生產(chǎn)的CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀的，系統(tǒng)的硬件組成主要包括CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀、多通道數(shù)據(jù)采集卡、計算機等，其框圖如圖1所示：

CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀是浙江大學(xué)高聯(lián)公司生產(chǎn)的曾獲全國高科技產(chǎn)品優(yōu)秀獎及浙江省優(yōu)秀科技成果獎的實驗儀，是集被測體、各種傳感器、信號激勵源、處理電路和顯示器于一體的綜合實驗平臺，主要由四部分組成：機殼、機頭（傳感器安裝臺）、顯示面板、調(diào)理電路面板等組成。它包含霍爾式傳感器、電容式傳感器、壓電式、磁電式傳感器、熱敏電阻、熱電偶傳感器、電感式傳感器、光纖式傳感器、濕敏傳感器、光電式傳感器等二十余種傳感器、十二個實驗?zāi)K，能完成包括光、磁、電、溫度、位移、振動、轉(zhuǎn)速等內(nèi)容的測試實驗。

二、實驗的軟件平臺

由于該實驗系統(tǒng)主要是希望創(chuàng)新實驗室學(xué)有余力的學(xué)生能夠利用空余時間進(jìn)行實驗，因而本文軟件部分主要是在前面介紹的硬件支持下，根據(jù)需要，采用LabVIEW編寫了整個實驗管理系統(tǒng)[15]。系統(tǒng)的主要組成包括：登錄界面、實驗選擇界面、用戶管理、學(xué)生名單等。

登錄界面主要設(shè)置了系統(tǒng)管理員、教師、學(xué)生登錄，不同的身份登錄后的權(quán)限不同，管理員具有實驗選擇、用戶管理、查看學(xué)生名單的權(quán)限；教師具有實驗選擇、查看學(xué)生名單的權(quán)限；而學(xué)生則只具有實驗選擇的權(quán)限。登錄后系統(tǒng)管理員、教師、學(xué)生界面權(quán)限如圖2所示：

在實驗選擇窗口下，設(shè)置有金屬箔式應(yīng)變片———溫度的影響實驗、直流全橋的應(yīng)用———電子稱實驗、交流全橋的應(yīng)用———振動測量實驗、差動變壓器性能實驗、壓電式傳感器振動實驗、超聲波傳感器測量距離共六個實驗，教師可以根據(jù)教學(xué)的要求添加不同的實驗；學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇不同的實驗進(jìn)行操作，實驗選擇菜單前面板圖如圖3：

在用戶管理窗口下設(shè)有查看用戶表、添加用戶、刪除用戶等幾項操作選擇，系統(tǒng)管理員可以根據(jù)登陸者的不同身份賦予不同的權(quán)限，其前面板圖如圖4所示：

在學(xué)生名單窗口下，系統(tǒng)管理員可以加入學(xué)生名單，教師點擊學(xué)生名單按鈕可以查看選擇實驗的學(xué)生名單，并對學(xué)生進(jìn)行一定的管理。如下圖所示：

三、實驗項目簡介

在前面一節(jié)介紹的實驗選擇窗口下共設(shè)置了金屬箔式應(yīng)變片———溫度的影響實驗、直流全橋的應(yīng)用———電子稱實驗、交流全橋的應(yīng)用———振動測量實驗、差動變壓器性能實驗、壓電式傳感器振動實驗、超聲波傳感器測量距離共六個實驗，在這一節(jié)中將對各個實驗項目進(jìn)行一些簡單的介紹。

在這六個實驗中，前面5個實驗屬于驗證加設(shè)計型實驗，學(xué)生可以根據(jù)實驗指南在CSY傳感器實驗儀接線，然后在LabView下根據(jù)自己的風(fēng)格設(shè)計不同的界面，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及顯示。最后一個超聲波傳感器測量距離的實驗屬于綜合性設(shè)計實驗，學(xué)生需要根據(jù)教師給出的實驗框圖設(shè)計整個實驗的硬件電路以及軟件界面，希望學(xué)生能夠通過這樣既有驗證型實驗又有設(shè)計型實驗相結(jié)合的實驗課程，提高學(xué)生動手能力以及創(chuàng)新的意識。

以實驗二電子稱實驗為例，學(xué)生選擇實驗二的按鈕后，進(jìn)入實驗界面如下圖所示，按照之前的圖連接好儀器，檢查無誤之后，點擊開始實驗按鈕開始實驗，實驗完成在前面板顯示結(jié)果如下圖所示：

實驗完成后可以點擊完成本次實驗按鈕完成該次實驗，也可點擊返回實驗主界面按鈕回到實驗主界面，選擇其他實驗繼續(xù)進(jìn)行實驗。

基于LabView的多傳感器實驗系統(tǒng)解決了CSY-998型傳感器實驗臺界面不友好，實驗結(jié)果不直觀，實驗操作調(diào)節(jié)復(fù)雜，所需測試儀器多的弊端。整個實驗操作過程更加簡單方便，人機界面友好，具有傳統(tǒng)儀器不具備的獨特優(yōu)勢，在實驗時無需給每個實驗組配備示波器，學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)想，設(shè)計各種富有個性的實驗測試面板，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及創(chuàng)新的能力。由于該實驗系統(tǒng)主要面向的是創(chuàng)新實驗室學(xué)有余力的學(xué)生，通過該系統(tǒng)學(xué)生可以根據(jù)自己的專業(yè)要求、時間，自由選擇相關(guān)的實驗，安排合理的時間進(jìn)入實驗室實驗，并能夠進(jìn)行相關(guān)的實驗面板設(shè)計，這樣可以充分利用學(xué)生空余時間，也能夠充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造能力，提高學(xué)生實驗動手的興趣，這在實驗改革過程中有十分積極的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]朱笑花.“傳感器與檢測技術(shù)”實驗課教學(xué)改革探討[J].長春師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，32（1）：135-137.

[2]王敏，張望先，張錚等.基于CSY型傳感器實驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[J].實驗技術(shù)與管理，2003，20（6）：23-27.

[3]孔燕，姚恩濤，陳虢等.CSY系列傳感器實驗系統(tǒng)的動態(tài)實驗開發(fā)[J].實驗室研究與探索，2007，26（1）：34-37.

作者簡介

曹曉燕（1986—），女，漢族，四川成都，碩士，助理工程師，研究方向：傳感器、信號處理。