程珍珍 祁林 梁成武

(河南城建學(xué)院電氣與控制工程學(xué)院 河南平頂山 467000)

《傳感器原理與應(yīng)用》課程作為自動(dòng)化類專業(yè)的核心課程，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方法，能夠根據(jù)工程需要選用合適的傳感器，并能夠?qū)z測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析、對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[1]。但由于實(shí)驗(yàn)課程環(huán)節(jié)比較注重結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生只能了解實(shí)驗(yàn)表象，無(wú)法深刻認(rèn)知并掌握傳感器理論。在國(guó)家大力推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及電網(wǎng)智能感知的背景需求下，在傳感器已成為限制各行業(yè)發(fā)展的瓶頸技術(shù)面前，傳感器的教學(xué)工作需要登上一個(gè)新的歷史臺(tái)階。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展，可以在不借用其他課程資源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)傳感器原理專業(yè)核心課程被測(cè)場(chǎng)景虛擬化，檢測(cè)原理可視化，規(guī)律認(rèn)知在線化，助力傳感器原理課程進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新時(shí)代[2-3]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，給學(xué)生提供了一個(gè)開(kāi)環(huán)操作的虛擬場(chǎng)景，學(xué)生可以在預(yù)習(xí)場(chǎng)景中了解虛擬實(shí)驗(yàn)的操作步驟；同時(shí)不用退出預(yù)習(xí)場(chǎng)景，可并行操作仿真實(shí)驗(yàn)相應(yīng)步驟。多媒體教學(xué)課堂上，教師也可以直接展示該虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，展開(kāi)視覺(jué)+現(xiàn)場(chǎng)直播式教學(xué)，擴(kuò)展課堂教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生聽(tīng)課興趣，提高課堂教學(xué)效率[4]。

該項(xiàng)目以電渦流傳感器位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)所需的步進(jìn)電機(jī)位移發(fā)生器、電渦流傳感器、電橋電路、放大器、濾波器、采集卡及電腦所組成的龐大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提升了教學(xué)形式的先進(jìn)性。

1 電渦流傳感器的位移測(cè)量原理

電渦流傳感器位移測(cè)量對(duì)象是一個(gè)內(nèi)部有臺(tái)階的金屬管。步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)或后退產(chǎn)生微小位移，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)串口輸出。步進(jìn)電機(jī)帶著兩個(gè)電渦流傳感器線圈深入金屬管內(nèi)部，探測(cè)銅管的內(nèi)徑。如圖1 所示，這兩個(gè)電渦流傳感器線圈和兩個(gè)電阻構(gòu)成差動(dòng)電橋電路的四個(gè)橋臂，一起構(gòu)成系統(tǒng)測(cè)量電路。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)控制電渦流傳感器在管內(nèi)移動(dòng)時(shí)，因?yàn)樵谝苿?dòng)過(guò)程中線圈與管壁距離不同。導(dǎo)致其等效阻抗發(fā)生變化。從而使電橋產(chǎn)生不平衡電壓[5]。

圖1 電渦流傳感器位移測(cè)量原理圖

差動(dòng)電橋的供電電壓E由信號(hào)源發(fā)出，10 kHz 正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)變壓器隔離后作為參考信號(hào)y(t)。差動(dòng)電橋的輸出信號(hào)s(t)是含有大量噪聲的微弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波送入數(shù)據(jù)采集卡。測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行互相關(guān)分析，提取有用測(cè)量信號(hào)的幅值和相位差。電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的峰值坐標(biāo)值即金屬管內(nèi)臺(tái)階發(fā)生變化的位置，其峰值信號(hào)的波形將在監(jiān)測(cè)儀面板上顯示。

2 基于LabVIEW的位移監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

位移監(jiān)測(cè)儀軟件構(gòu)成如圖2所示。系統(tǒng)主要包括步進(jìn)電機(jī)控制模塊、信號(hào)采集及分析模塊和波形顯示模塊。

圖2 位移監(jiān)測(cè)儀軟件構(gòu)成

2.1 步進(jìn)電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)

圖3給出了完整的基于LabVIEW的步進(jìn)電機(jī)控制面板。步進(jìn)電機(jī)控制模塊分設(shè)置和操作兩部分。設(shè)置部分實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)與計(jì)算機(jī)通信所用串口，步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)速度以及步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)距離的設(shè)置，并直觀地顯示步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的位置。操作部分包括前進(jìn)、后退、歸零這3種操作，控制步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)方向。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制面板

圖4～圖6 分別給出了步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)，后退及歸零的程序框圖。而這3 種運(yùn)行方式由事件結(jié)構(gòu)（Event Structure）來(lái)分別實(shí)現(xiàn)控制[6]。

圖4 控制“前進(jìn)”程序框圖

圖5 控制“后退”程序框圖

圖6 控制“歸零”程序框圖

2.2 信號(hào)采集、分析及顯示模塊的設(shè)計(jì)

位移監(jiān)測(cè)儀是基于電渦流傳感器位移測(cè)量裝置，將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理[7]，由二者的關(guān)聯(lián)性，得出位移特性，實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。進(jìn)行相關(guān)處理的兩電壓信號(hào)中，一個(gè)是差動(dòng)電橋的不平衡輸出電壓，含有大量噪音，由通道0 采入計(jì)算機(jī)，另一個(gè)是由信號(hào)源提供的參考信號(hào)，由通道1 采入計(jì)算機(jī)。然后應(yīng)用相關(guān)算法對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行處理，最后顯示有用信號(hào)的幅值和相位。因此這部分的軟件設(shè)計(jì)包括信號(hào)的采集、相關(guān)原理的應(yīng)用以及幅值和相位的顯示這3 個(gè)模塊。圖7 給出了信號(hào)處理前的采集和設(shè)置模塊程序框圖。圖8給出了相關(guān)處理及幅值和相位差顯示模塊的程序框圖。在相關(guān)處理圖形化的過(guò)程中，增加放大倍數(shù)輸入控件，增強(qiáng)可操作性。

圖7 相關(guān)數(shù)據(jù)采集程序框圖

圖8 圖像化相關(guān)處理模塊的程序框圖

結(jié)合以上模塊設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)了如圖9 所示的位移監(jiān)測(cè)儀，面板包括3 個(gè)模塊，即步進(jìn)電機(jī)控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊及波形顯示模塊。實(shí)際測(cè)量時(shí)，操作位移監(jiān)測(cè)儀，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)距離，監(jiān)測(cè)儀連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)觀察波形變化。通過(guò)對(duì)波形相鄰峰值之間間隔的計(jì)算就可獲得位移測(cè)量結(jié)果。

圖9 位移監(jiān)測(cè)儀面板

3 LabVIEW虛擬仿真對(duì)傳感器教學(xué)的意義

（1）在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，傳感器原理與應(yīng)用采用虛擬仿真輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，符合堅(jiān)持以學(xué)生為本的教學(xué)理念，堅(jiān)持一切從學(xué)生的需求出發(fā)，注重社會(huì)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的要求，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的興趣和潛力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生深入掌握傳感器的檢測(cè)原理及其關(guān)鍵技術(shù)，在工程實(shí)踐中達(dá)到準(zhǔn)確使用傳感器的目的。

（2）傳感器課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)種類繁多，但實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模及設(shè)備量通常無(wú)法滿足開(kāi)設(shè)所有實(shí)驗(yàn)的要求，虛擬仿真教學(xué)的引入在講課堂教學(xué)拓展到實(shí)驗(yàn)室的第二課堂的同時(shí)，解決了這一難題。學(xué)生實(shí)驗(yàn)室更加具有選擇性，為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了平臺(tái)。任課教師還可根據(jù)學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)完成情況，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生成績(jī)，完善平時(shí)成績(jī)給分依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

《傳感器原理與應(yīng)用》在構(gòu)建自動(dòng)化專業(yè)類教學(xué)體系中具有重要的地位。采用虛擬仿真技術(shù)，能夠突破傳統(tǒng)認(rèn)知傳感器課堂教學(xué)不足，積極推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革。該文以電渦流傳感器位移測(cè)量為例，以LabVIEW 軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編寫(xiě)了位移監(jiān)測(cè)儀程序，組建了電渦流傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)，有助于培養(yǎng)學(xué)生靈活組建傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐能力及主動(dòng)思考問(wèn)題的能力。