盧亞平， 宋天麟

(蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325)

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傳感器與虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與教學(xué)

盧亞平， 宋天麟

(蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325)

為了適應(yīng)學(xué)院工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)建設(shè)和發(fā)展的需要，貫徹國(guó)家學(xué)以致用的培養(yǎng)方針，滿(mǎn)足社會(huì)應(yīng)用型人才的社會(huì)需求，根據(jù)學(xué)院現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)科建設(shè)的需要，組建一個(gè)涉及傳感器技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、虛擬儀器Labview技術(shù)為一體的新型虛擬傳感器實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室建設(shè)既能完成課內(nèi)教學(xué)項(xiàng)目，又能實(shí)現(xiàn)課外開(kāi)放項(xiàng)目，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中能夠提高學(xué)習(xí)積極性和專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新性。其中課內(nèi)教學(xué)項(xiàng)目主要目標(biāo)為提高實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量、豐富實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)和提高實(shí)驗(yàn)室利用率；課外開(kāi)放項(xiàng)目主要能面向?qū)W生的興趣小組項(xiàng)目、技能比賽項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、學(xué)生畢業(yè)論文和教師的科研。

實(shí)驗(yàn)室建設(shè); 虛擬儀器; 傳感器; 檢測(cè)技術(shù)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)、軟件、以及電子技術(shù)的快速發(fā)展，使新的測(cè)試?yán)碚?、測(cè)試方法以及設(shè)備結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)并發(fā)展成熟，在許多方面改變了傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的概念。虛擬儀器技術(shù)逐步形成一種發(fā)展趨勢(shì)，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用早已突破最初的儀器控制和數(shù)據(jù)采集的范疇。不僅應(yīng)用于控制系統(tǒng)、嵌入式設(shè)計(jì)等，還在電子電氣、射頻與通信、裝備自動(dòng)化、汽車(chē)、能源電力等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)將對(duì)21世紀(jì)的科技進(jìn)步與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用[1]。

當(dāng)前學(xué)院傳感器實(shí)驗(yàn)室條件嚴(yán)重滯后，設(shè)備使用近10年歷史，具有老化、檢測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)效果不佳等問(wèn)題；并且沒(méi)有專(zhuān)設(shè)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)有的傳感器實(shí)驗(yàn)室條件只能滿(mǎn)足部分課程的驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，沒(méi)有創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、虛擬儀器實(shí)驗(yàn)等基本教學(xué)條件。如今虛擬儀器技術(shù)在各企業(yè)廣泛應(yīng)用，企業(yè)需要這方面的人才，培養(yǎng)這方面的特色人才迫在眉睫[2]。

1 新型實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性

計(jì)劃建設(shè)以傳感器為主，虛擬儀器為輔的一體化新型實(shí)驗(yàn)室，重點(diǎn)使學(xué)生了解并掌握傳感器類(lèi)型、應(yīng)用、設(shè)定、調(diào)節(jié)，通過(guò)Labview軟件編程練習(xí)和結(jié)合硬件的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，掌握?qǐng)D形化編程方式 (G語(yǔ)言) 與虛擬儀器平臺(tái)的基本操作，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，創(chuàng)新能力、獨(dú)立思考與解決問(wèn)題的能力，真正培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型技術(shù)人才，滿(mǎn)足企業(yè)及地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，同時(shí)也能基本滿(mǎn)足教師的科研任務(wù)[3]。

設(shè)備具有先進(jìn)性，傳感器把采集到的信號(hào)通過(guò)PCI信號(hào)采集卡送達(dá)到電腦中，電腦通過(guò)Labview軟件編程與組態(tài)，完成信號(hào)的處理與顯示。消除了一般設(shè)備因線(xiàn)路老化而帶來(lái)的干擾問(wèn)題，使得數(shù)據(jù)測(cè)量保持穩(wěn)定，且各傳感器模塊分散獨(dú)立，互不干擾[4]。

新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有以下特點(diǎn)：①開(kāi)放性。全面開(kāi)放虛擬傳感器平臺(tái)，學(xué)生與老師可參與系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)；②模塊化。為消除原傳感器實(shí)驗(yàn)室因所有傳感器電路集成在一起而相互干擾的問(wèn)題，所有傳感器設(shè)備都需采用模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)所做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拿出對(duì)應(yīng)的模塊即可，為基礎(chǔ)教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)提供方便；③工業(yè)化。采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)零部件，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，質(zhì)量可靠。④利用率高。滿(mǎn)足工科類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的傳感器課程實(shí)驗(yàn)部分，滿(mǎn)足虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)部分，并能為教師的科研和學(xué)生的論文、項(xiàng)目、比賽提供平臺(tái)。⑤設(shè)備維護(hù)方便。虛擬儀器的最大的優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)硬件問(wèn)題，更換也很方便，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓[5]。

2 總體規(guī)劃

為了滿(mǎn)足課內(nèi)教學(xué)項(xiàng)目和課外開(kāi)放項(xiàng)目要求，將傳感器與虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容劃分3部分，采用循序漸進(jìn)的方式，分為基礎(chǔ)技術(shù)部分、專(zhuān)業(yè)技術(shù)部分、應(yīng)用技術(shù)部分?；A(chǔ)技術(shù)部分可滿(mǎn)足各相應(yīng)專(zhuān)業(yè)的傳感器課程實(shí)驗(yàn)部分，專(zhuān)業(yè)技術(shù)部分為虛擬儀器課程設(shè)置，應(yīng)用技術(shù)部分專(zhuān)為學(xué)生提供大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、畢業(yè)論文、比賽等情況而設(shè)置[6]。

2.1 主要技術(shù)性能指標(biāo)

購(gòu)置設(shè)備的主要技術(shù)性能指標(biāo)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(nèi)存2GB、硬盤(pán)100GB、光驅(qū)、工業(yè)主板、顯示器。

(2) 虛擬儀器數(shù)據(jù)采集卡、電纜和接線(xiàn)端子板。PCI數(shù)據(jù)采集卡，模擬量輸入通道數(shù)：?jiǎn)味?6路，雙端8路，A/D轉(zhuǎn)換分辨率：12位；模擬量輸出通道數(shù)：2路， D/A轉(zhuǎn)換分辨率：12位；數(shù)字量輸入：16路；數(shù)字量輸出：16路；16位計(jì)數(shù)/定時(shí)器：3路。

(3) 電源。滿(mǎn)足各類(lèi)模塊供電要求，帶錯(cuò)接保護(hù)電路(±5 V、±12 V、±15 V、24 V) 。

(4) 各類(lèi)傳感器及相應(yīng)模塊。涉及基礎(chǔ)技術(shù)部分即傳感器課程實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)要求

基礎(chǔ)技術(shù)部分實(shí)驗(yàn)涉及檢測(cè)基礎(chǔ)、傳感器技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)，專(zhuān)業(yè)技術(shù)部分實(shí)驗(yàn)涉及虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)。各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的舉例典型，實(shí)驗(yàn)效果佳，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)易出。各相應(yīng)模塊應(yīng)帶錯(cuò)接保護(hù)電路、帶抗干擾措施、防氧化和防震等措施[7]。

由于一般實(shí)驗(yàn)課程的總課時(shí)為18學(xué)時(shí)，一次實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為3學(xué)時(shí)，一般需設(shè)計(jì)6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并有具體應(yīng)用實(shí)例，具體應(yīng)用實(shí)例為某項(xiàng)目的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，一般為社會(huì)典型應(yīng)用[8]。

基礎(chǔ)技術(shù)部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：實(shí)驗(yàn)1，應(yīng)變片電阻傳感器實(shí)驗(yàn)(單臂)。實(shí)驗(yàn)2，應(yīng)變片電阻傳感器實(shí)驗(yàn)(雙臂)。實(shí)驗(yàn)3，電容式傳感器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)4，電感式傳感器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)5，光電傳感器的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)6，霍爾傳感器的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)7，超聲波傳感器實(shí)驗(yàn)。

具體應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用——電子秤；霍爾傳感器的應(yīng)用——測(cè)速電機(jī)；光電傳感器的應(yīng)用——光電測(cè)速。

專(zhuān)業(yè)技術(shù)部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：實(shí)驗(yàn)1，labview軟件入門(mén)。實(shí)驗(yàn)2，基礎(chǔ)編程實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)3，文件存取實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)4，信號(hào)頻域分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)5，數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)6，虛擬溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

具體應(yīng)用實(shí)例：虛擬儀器應(yīng)用——簡(jiǎn)易示波器；信號(hào)發(fā)生器；虛擬溫度控制。

3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

通過(guò)學(xué)院招標(biāo)建設(shè)，基本完成實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。其中采用工業(yè)自動(dòng)化設(shè)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(yīng)變傳感器等多種常用傳感器，覆蓋開(kāi)關(guān)量、模擬量等不同信號(hào)類(lèi)別。學(xué)生通過(guò)傳感器接線(xiàn)訓(xùn)練、傳感器調(diào)試及使用PCI采集卡進(jìn)行信號(hào)采集與編程功能等，能完成信號(hào)轉(zhuǎn)換、變送、采集、儀表顯示與控制的主要實(shí)驗(yàn)功能。如圖1所示，該裝置模塊接線(xiàn)端子，均采用安全型插座，使用帶安全插頭的導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行電路連接；各指令開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、傳感器和指示元件的電路通過(guò)端子排進(jìn)行連接。既保證學(xué)生基本技能的訓(xùn)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(hù)裝置，安全性符合相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可確保人身與設(shè)備安全[9-10]。

圖1 智能檢測(cè)與虛擬儀器實(shí)訓(xùn)裝置

整個(gè)裝置有4個(gè)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(kāi)關(guān)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(shí)計(jì)數(shù)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(kāi)關(guān)及繼電器的接口。2個(gè)收納盒放置各位傳感器，實(shí)驗(yàn)時(shí)需把涉及的傳感器安置在平臺(tái)上，接線(xiàn)完成實(shí)驗(yàn)[11-12]。

裝置關(guān)鍵采用PCI8932信號(hào)采集卡和labview8.5應(yīng)用軟件。使平臺(tái)上的傳感器檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)PCI8932信號(hào)采集卡把檢測(cè)到的信號(hào)處理后送入電腦的Labview8.5應(yīng)用軟件，并在labview軟件界面上顯示所需要的檢測(cè)值。Labview的各實(shí)驗(yàn)界面操作簡(jiǎn)單,并在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中給出具體操作步驟,使基礎(chǔ)技術(shù)部分實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在沒(méi)學(xué)習(xí)Labview軟件的情況下,也能操作軟件,完成基礎(chǔ)技術(shù)部分的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[13-14]。專(zhuān)業(yè)技術(shù)部分實(shí)驗(yàn)主要以學(xué)習(xí)Labview軟件為主，在此不做具體說(shuō)明。

4 新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)后完成的教學(xué)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以后，在2013～2014學(xué)年里承擔(dān)了大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生畢業(yè)論文等任務(wù)，根據(jù)表2～4所示，基礎(chǔ)技術(shù)部分完成了7個(gè)班級(jí)，共108課時(shí)的實(shí)驗(yàn)。專(zhuān)業(yè)技術(shù)部分完成了2個(gè)班級(jí)，共114課時(shí)的實(shí)訓(xùn)。另在應(yīng)用技術(shù)部分也取的了優(yōu)異的成績(jī)，以該實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)平臺(tái)，申報(bào)了2014江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，參加了2014江蘇省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽和完成了學(xué)生畢業(yè)論文設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是各大院校培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新的首要條件,也是各學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革研究項(xiàng)目之一，集合學(xué)院專(zhuān)業(yè)特色提出一個(gè)傳感器與虛擬儀器集為一體的并符合國(guó)家人才培養(yǎng)要求的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案, 該建設(shè)方案能滿(mǎn)足三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，能夠完成課內(nèi)教學(xué)項(xiàng)目和課外開(kāi)放項(xiàng)目的任務(wù)，經(jīng)過(guò)1年的運(yùn)行,實(shí)驗(yàn)室完成了7個(gè)班級(jí)的基礎(chǔ)技術(shù)實(shí)驗(yàn),2個(gè)班級(jí)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)和一些應(yīng)用技術(shù)部分的任務(wù),驗(yàn)證了該方案的可行性,并在實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生與教師普遍反映設(shè)備使用效果較好。該方案目前在國(guó)內(nèi)高校具有推廣價(jià)值。

表2 2013-2014學(xué)年基礎(chǔ)技術(shù)部分情況

表3 2013-2014學(xué)年專(zhuān)業(yè)技術(shù)部分上課情況

表4 2013-2014學(xué)年應(yīng)用技術(shù)部分情況

[1] 盧亞平,任 曉,秦?fù)碥?分散控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的改進(jìn)與創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(5):255-258.

[2] 張偉東,袁 昊,周蔭清,等.基于虛擬儀器的電子測(cè)量系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù),2006,29(4):44-46.

[3] 張 文.基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,19(2):95-98.

[4] 黃天辰,馮長(zhǎng)江,黃興智,等.虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究[J].華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,16(7):18-20.

[5] 易 軍,周 偉,張?jiān)獫?面向智能化油田的物聯(lián)網(wǎng)特色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(5):249-251.

[6] 楊 宏,李國(guó)輝,常淑娟.基于labview的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(7):154-155.

[7] 呂勇軍.傳感器技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[8] 宋德杰.傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[9] 劉民岷,楊 平.基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2002,19(1):93-95.

[10] 馬漢達(dá).高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理改革探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001,18(1):118-121.

[11] 趙勝會(huì),劉 平.基于虛擬儀器的計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006,22(7):78-80.

[12] 李小波,吳 浩,孫炳章.基于labview的虛擬實(shí)驗(yàn)室研究[J];煤礦機(jī)械，2004(9):33-35.

[13] 戴 沖,姜向東.虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]; 中國(guó)測(cè)試技術(shù), 2007,33(5):59-61.

[14] 童 剛.虛擬儀器實(shí)用編程技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

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(shí)驗(yàn)師，研究方向:自動(dòng)控制。Tel.:13962212905；E-mail:luyaping1982@126.com

TP 391.9

B

1006-7167(2015)08-0101-03