基于虛擬儀器的傳感器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)

劉偉 袁曹浩 陳哲 王雪東 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 210000

1 引言

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程是高職院校電類專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程涉及面廣、應(yīng)用性強(qiáng)，然而在教學(xué)中由于綜合實(shí)驗(yàn)條件的欠缺，導(dǎo)致課程教學(xué)內(nèi)容常常偏向傳感器工作原理等理論化教學(xué)。傳統(tǒng)傳感器實(shí)訓(xùn)裝置價(jià)格昂貴，后期維護(hù)費(fèi)用高，且可操作性不強(qiáng)，以我校為例，采用了中德棟梁的DLCG-DS110X傳感器實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)測(cè)量模塊精度不高，且損壞率高，后期維護(hù)費(fèi)用大，電路參數(shù)不可以靈活調(diào)整修正，以至于可操作性不強(qiáng)。本項(xiàng)目考慮利用多數(shù)據(jù)采集儀和虛擬儀器LabVIEW的圖形化語(yǔ)言構(gòu)建人機(jī)界面，實(shí)時(shí)顯示和處理采集數(shù)據(jù)，通過(guò)不同傳感器及其測(cè)量電路的搭建，實(shí)現(xiàn)溫度、光強(qiáng)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的檢測(cè)。

2 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)用到的硬件包括：測(cè)控對(duì)象、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、多路輸出電源模塊、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器LabVIEW。在實(shí)驗(yàn)箱面包板上搭建檢測(cè)電路，輸出參數(shù)經(jīng)多通道數(shù)據(jù)采集儀處理后送至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中用LabVIEW設(shè)計(jì)可視化人機(jī)界面，實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)的數(shù)值和時(shí)序圖，并可進(jìn)行放大倍數(shù)、采樣速率等參數(shù)的調(diào)整。

多路輸出電源模塊：用于給數(shù)據(jù)采集儀、傳感器和測(cè)控對(duì)象等提供+5V、±12V、+24V和多路輸出直流電源，其中數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集儀：傳感器的作用是將實(shí)時(shí)連續(xù)變化的非電（大部分情況下）物理量轉(zhuǎn)化為與之線性或非線性相關(guān)的電參量，也是模擬信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)（±10以內(nèi)）的模擬電信號(hào)可以直接由示波器等測(cè)量?jī)x器檢測(cè)顯示，但計(jì)算機(jī)或單片機(jī)等處理器需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示。因此，需要采用數(shù)據(jù)采集儀完成A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)采用USB接口連接，支持熱插拔，使用方便。使用前需要安裝驅(qū)動(dòng)程序。

LabVIEW軟件平臺(tái)：NI公司的LabVIEW軟件平臺(tái)具有強(qiáng)大的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，是目前最佳的虛擬儀器程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，可實(shí)現(xiàn)與硬件無(wú)縫對(duì)接。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件部分和軟件部分，以光照強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例。在實(shí)驗(yàn)箱面包板上搭建光敏電阻光強(qiáng)測(cè)量電路。光敏電阻通過(guò)對(duì)數(shù)二極管進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮后，理論上其光電流與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系。首先要測(cè)量出該傳感器經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)壓縮后的線性函數(shù)表達(dá)式，才能利用光敏電阻完成相關(guān)量的測(cè)量。

圖 1 光敏電阻光照強(qiáng)度測(cè)量電路圖

圖2 分立元件電路圖

系統(tǒng)主程序采用LabVIEW狀態(tài)機(jī)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序框圖如圖3所示。各參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用子VI進(jìn)行設(shè)計(jì)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合和計(jì)算，在前面板中顯示測(cè)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(zhǎng)度選擇“1024”。運(yùn)行程序進(jìn)行光敏電阻對(duì)數(shù)壓縮后的線性關(guān)系的測(cè)量。

圖3 光強(qiáng)測(cè)量程序圖

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變CdS光敏電阻的光照狀況，用照度計(jì)測(cè)量該光照狀況下的光照強(qiáng)度，如果改變光照強(qiáng)度狀況后電壓變化量比較小，可以電阻VR1的阻值調(diào)整電路的放大倍數(shù)。多次調(diào)整光敏電阻受光面的光照狀況，接著用照度計(jì)測(cè)量該光照狀況下的光照強(qiáng)度，可采集多次輸出電壓，記錄數(shù)據(jù)描點(diǎn)畫出特性圖。

線性曲線通常用函數(shù)關(guān)系式y(tǒng)=k*x+b表示，其中橫坐標(biāo)x表示光照強(qiáng)度（Lx），縱坐標(biāo)y表示傳感器輸出的電壓。當(dāng)傳感器的輸出電壓為已知量而被測(cè)對(duì)象為未知量時(shí)，該線性函數(shù)關(guān)系式則可表示為：x=(y-b)/k，也就是說(shuō)利用線性函數(shù)關(guān)系式就可以實(shí)時(shí)的測(cè)量傳感器的輸出電壓進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)對(duì)象的量。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)可采用分立元件自行搭建電路，成本較低，易于維護(hù)，學(xué)生可在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上利用各類傳感器搭建調(diào)理電路，進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，理論聯(lián)系實(shí)際，可以有效提高學(xué)生的動(dòng)手能力、排查故障能力，更好地理解理論內(nèi)容，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和探索精神。