傳感器實驗臺與虛擬儀器系統開展傳感器課程實驗的結果分析

李勇偉　張靚靚　張婧婧

摘要：傳感器實驗臺常用于顯示測量的物理量，而虛擬儀器系統不僅能夠測量信號，還可以擴展為測控系統。設計傳感器虛擬儀器旨在開展測控課程實驗項目，通過與實驗臺測量的數據進行比較，分析測試系統的性能指標。結果表明，在靈敏度指標差異不大的情況下，虛擬儀器系統線性度優于傳感器實驗臺的測量。

關鍵詞：傳感器實驗臺;虛擬儀器;線性度;靈敏度

中圖分類號：TP391? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0133-02

Abstract： The sensor test-bed is often used to display the measured physical quantity， and the virtual instrument system can not only measure the signal， but also expand to the measurement and control system. The purpose of designing sensor virtual instrument is to carry out the experiment project of measurement and control course， and analyze the performance index of the test system by comparing with the data measured by the experiment platform. The results show that the linearity of the virtual instrument system is better than that of the Sensor Test-bed when there is little difference in the sensitivity index.

Key words： Sensor test bench; Virtual instrument; Linearity; Sensitivity

1 概述

與傳統工科相比，“新工科”強調工科實用性、交叉性與綜合性[1]。傳感器實驗臺為課內實踐教學[2]的專業課程提供理論教學內容驗證，也能幫助學生在《傳感器技術》《測控技術》等實驗課程中理解和掌握測試系統的組成。農業高校工科專業以新工科、新農科建設為契機，開展基于學科交叉融合背景下[3]，傳感器實驗臺難以達到面向新工科的工程實踐教學體系建設綜合設計能力訓練的要求[4]。結合傳感器實驗臺與課程實驗項目設計開發虛擬儀器測控系統[5，6]，既可以完成工科類各專業的傳感器課程實驗、虛擬儀器課程實驗及設計，為教師的教學研究和學生的畢業設計、大學生創新項目提供平臺，還可以滿足師生面向工程實踐的項目設計開發的需求[7]。

由于傳感器實驗臺實驗操作中涉及檢測技術、被測信號獲取、信號調理以及顯示等技術[8]，實現各技術環節的元器件都會對測試系統性能產生影響。通過改進調理電路使傳感器實驗臺的線性度與靈敏度指標得到一定改善[9]，然而7位精度的模數轉換采樣與顯示一體芯片[10]影響了系統性能。利用高速與高精度數據采集卡設計虛擬儀器可以提高測試系統性能[11]，還能通過網絡發布實驗測量結果[12]。學生在傳感器實驗臺與虛擬儀器系統分別完成課程實驗項目，比較兩者的測量數據并分析系統的性能指標。通過實驗過程的比較，學生能夠更好地認識檢測系統組成的各個環節的作用，并初步分析對檢測系統性能指標產生影響的可能因素。

2 測控類課程實驗教學設計

農業工科類課程體系中通常使用傳感器開展實驗教學的課程包括《傳感器技術》《機械工程測試技術》《測控技術》。實驗項目通常包括：金屬箔應變片測重、霍爾傳感器測速、電渦流位移測量、壓電式傳感器振動測量。實驗過程中，學生先在實驗臺開展實驗項目并記錄數據，然后使用虛擬儀器系統進行同步實驗項目。通過將實驗臺測量數據輸入虛擬儀器用戶界面，應用數據擬合與最小二乘算法，分析實驗臺與虛擬儀器的系統性能指標。

2.1 實驗臺開展實驗教學

實驗者在SET2000傳感器實驗臺連接傳感器、實驗板、實驗臺電源與顯示儀表后，將調理電路調諧好并對傳感器輸出調零，然后逐步加載并記錄實驗數據。實驗臺傳感器在加載前調零過程中，由于電磁干擾或數顯表采樣芯片的誤差，數顯表讀數總是在零點波動。實驗進行中每次讀數時，數顯表的數據也總存在波動，實際中采用讀取穩定時間較長的數據，如圖1所示。

2.2 虛擬儀器系統開展實驗項目

（1） 虛擬儀器組成

虛擬儀器系統由傳感器、實驗板、采集卡與運行虛擬儀器程序的計算機組成，采用美國國家儀器公司（NI）采樣速率1.25 MSS-1的16位分辨率數據采集卡USB6253，系統開發平臺選用圖形化編程語言LabVIEW2013版。

實驗者操作的用戶界面包括實驗項目、通道配置、定時采樣、數據記錄、比較分析五個部分，其中比較分析包括表格對比與曲線比較兩種形式。用戶界面如圖2所示，物理通道選項從連接的采集設備選擇接線通道，信號端配置選用差分方式。

選定實驗項目，最大值與最小值用于限定該實驗項目輸入信號的幅值，偏置調節用于系統調零，讀數暫停控件用于逐次讀取傳感器數據，系統性能分析用于比較兩種實驗系統性能指標。

（2） 虛擬儀器減小誤差設計

用采集卡將調理電路輸出顯示在虛擬儀器系統，可以采用偏置補償與讀取緩沖區數據平均的方法分別減少調零環節，實驗臺讀數估讀偏差。數據緩沖區數據取平均值作為偏置值用于減少傳感器與調理電路的零點誤差。每次循環將讀取的數據求和并取平均值作為測量數據，可以減少數據波動對讀數的影響。

3 傳感器實驗臺與虛擬儀器實驗結果比較

3.1 擬合曲線比較兩種試驗方法獲取的數據

傳感器課程實驗目的是通過測取數據使學生掌握實驗裝置使用方法及評價系統性能的衡量指標。Labview最小二乘法擬合分析實驗臺讀取數據，并與虛擬儀器測量數據比較，可以獲取兩種測量系統的靈敏度與線性度指標。點擊系統性能分析中實驗臺性能與虛擬儀器性能控件，可以得到兩種測量系統的測量數據與擬合曲線。

3.2 系統性能指標分析

由圖4可知，傳感器實驗臺與虛擬儀器傳感器系統測量的數據比較接近，從擬合的曲線難以觀察兩種系統的性能優劣，因此依據靈敏度與線性度的確定方法，通過程序框圖實現。虛擬儀器用戶界面可以看到實驗臺靈敏度與線性度分別為0.7335、0.0048，虛擬儀器相應參數為0.7393、0.00252。

4 結論

針對傳感器實驗臺擴展性較弱的問題，設計傳感器虛擬儀器系統為師生測控項目的研究設計提供開發平臺。通過分析兩者性能并針對課程實驗項目的測量數據表明：

1） 實驗臺與虛擬儀器系統靈敏度比較接近，說明測量系統的靈敏度由傳感器決定。

2） 虛擬儀器系統與傳感器實驗臺相比，線性度從0.48%提高到0.25%，說明采樣精度與方法對系統線性度的測量具有一定影響。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】