基于虛擬儀器的多傳感器實驗教學系統的研制

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、所需測試設備多、手工記錄數據誤差大。為了提高開放性創新實驗室的利用率，增強學生對傳感器的掌握，同時方便實驗教師對學生實驗進程的管理，本文應用LabVIEW軟件在上位機上設計了基于虛擬儀器的多傳感器實驗教學管理系統，包括實驗用戶管理、實驗項目管理、實驗權限、實驗數據處理、顯示等，從而增加了傳感器實驗的多樣性、創新性、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。

關鍵詞：傳感器實驗教學LabVIEW管理系統

傳感器實驗課程是工科院校學生掌握傳感器相關知識以及了解傳感器性能和作用的重要途徑之一，但是傳統的傳感器實驗課程采用統一的實驗授課方式[1]，學生在實驗時，按照實驗要求插接線，然后手工記錄數據，將數據給實驗指導教師檢查簽字通過后，課后根據數據手動繪圖，對數據進行分析，最后上交實驗報告，學生在整個實驗過程中毫無主動性，更無法調動學生的積極性及創新性，學生的能力也得不到充分的培養。尤其是學校選購的浙江大學高聯公司生產的CSY-998型傳感器系統實驗儀[2，3，4]集成多種傳感器，內置各種信號轉換及處理模塊，學生在在整個實驗過程中不僅需要根據不同類型的傳感器的輸出調試儀器，還需要根據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，從而導致實驗難度增大，成本增加，不利于開放性實驗室的建設與管理。虛擬儀器[6，7，8]系統的用戶可以根據自己的需要，自行設計自己的儀器系統，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驗的用戶而不是編程專家，因此十分適合工科類學生作為基本的軟件開發平臺[13，14]。只要一臺電腦加上傳感器實驗儀，就可以實現實驗室管理人員對儀器設備的管理，教師就可以了解傳感器實驗的進展以及學生實驗的基本情況；而學生也可以根據自己的需要設計形式多種多樣的數據顯示界面，從而使傳感器實驗更具有趣味性、創新性，也能夠充分挖掘實驗室資源的獨特潛力，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系統是基于虛擬儀器以及浙江大學高聯公司生產的CSY-998型傳感器系統實驗儀的，系統的硬件組成主要包括CSY-998型傳感器系統實驗儀、多通道數據采集卡、計算機等，其框圖如圖1所示：

CSY-998型傳感器系統實驗儀是浙江大學高聯公司生產的曾獲全國高科技產品優秀獎及浙江省優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、十二個實驗模塊，能完成包括光、磁、電、溫度、位移、振動、轉速等內容的測試實驗。

二、實驗的軟件平臺

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

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

在實驗選擇窗口下，設置有金屬箔式應變片———溫度的影響實驗、直流全橋的應用———電子稱實驗、交流全橋的應用———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，教師可以根據教學的要求添加不同的實驗；學生可以根據自己的興趣選擇不同的實驗進行操作，實驗選擇菜單前面板圖如圖3：

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

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

三、實驗項目簡介

在前面一節介紹的實驗選擇窗口下共設置了金屬箔式應變片———溫度的影響實驗、直流全橋的應用———電子稱實驗、交流全橋的應用———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，在這一節中將對各個實驗項目進行一些簡單的介紹。

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

以實驗二電子稱實驗為例，學生選擇實驗二的按鈕后，進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，選擇其他實驗繼續進行實驗。

基于LabView的多傳感器實驗系統解決了CSY-998型傳感器實驗臺界面不友好，實驗結果不直觀，實驗操作調節復雜，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，具有傳統儀器不具備的獨特優勢，在實驗時無需給每個實驗組配備示波器，學生可以根據自己的設想，設計各種富有個性的實驗測試面板，大大提高了學生的學習興趣以及創新的能力。由于該實驗系統主要面向的是創新實驗室學有余力的學生，通過該系統學生可以根據自己的專業要求、時間，自由選擇相關的實驗，安排合理的時間進入實驗室實驗，并能夠進行相關的實驗面板設計，這樣可以充分利用學生空余時間，也能夠充分發揮學生的創造能力，提高學生實驗動手的興趣，這在實驗改革過程中有十分積極的作用。

參考文獻

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

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

[3]孔燕，姚恩濤，陳虢等.CSY系列傳感器實驗系統的動態實驗開發[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。