罗刘敏+王明霞+郭艳花+刘晓青
摘 要：为了提高学生做传感器与检测技术课程实验的兴趣，提高学生的自主学习能力和创新能力。本文使用功能较强大的虚拟仪器LabVIEW软件和Multisim软件，开发了一套传感器与检测技术实验课程相关的实验系统，该实验系统能够满足传感器与检测技术课程的实验要求。基于虚拟仪器的实验系统设计是传感器与检测技术课程教学改革创新的体现，改变了传统插拔式、验证式的实验现象，减少了实验室建设的成本，有很大的推广应用价值，有利于学校转型发展的需要——培养应用型技术人才。
关键词：传感器 虚拟仪器 实验教学 LabVIEW
中图分类号：TP303 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0231-03
Abstract： In order to improve the students' interest in the experiment of sensor and detecting technology and improve students' ability of self-learning and innovation.This paper develope a set of experimental system which is based on LabVIEW and Multisim software.The experimental system can meet the requirements of sensor and detecting technology course experiment. The design of the experimental system based on virtual instrument is the embodiment of the teaching reform and innovation of the sensor and detection technology course. It changes the traditional plug-in and verification experimental phenomenon， reduces the cost of laboratory construction， has great popularization and application value，and be beneficial to the need of School Transformation and Development - Cultivating Applied Talents.
Key Words： Sensors； Virtual instruments； Experimental teaching； LabVIEW
随着科学技术的发展，自动化程度越来越高，从而对传感器技术的依赖越来越强。就高校教学来说，当前的传感器技术实验课程内容已经不能满足人才培养的新需要，主要体现在以下几个方面：一是教学内容陈旧，以验证性实验为主，与工程实践脱节严重；二是教学方式单调枯燥，缺乏直观性；三是实验方法和手段因实验设备的定型而很难改动；四是传统的实验教学设备大多缺乏信息的直观显示和存储能力等[1-2]。“虚拟仪器技术”就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量及自动化的应用[3]。它是现代测试技术、计算机技术和电子仪器技术相互结合渗透的产物，它以软件取代传统的电子仪器，打破传统系统仪器在数据的表达、分析、处理、传输、存储等方面的限制，包括硬件和软件两个基本要素。若将传感器实验教学与虚拟仪器技术相结合，必将有助于提高实验教学设备的先进性，有效地提高学生的实际动手能力，更好地激发他们的学习兴趣和探索精神，实现实验教学与工业实际应用的充分衔接[4-6]。
本文以虚拟仪器LabVIEW软件和Multisim软件为开发平台，设计周口师范学院传感器与检测技术实验教学平台，该平台实时性和扩展性比较强，可以缓解传感器与检测技术实验设备紧缺的问题。利用该平台可以提高学生的实验兴趣和实验效率；增强实验效果；巩固对该课程的理论知识的掌握；便于他们在实验中全面接触各种新兴技术，并将其与所学的专业知识融会贯通。
1 虚拟传感器与检测技术实验平台解决的关键问题
1.1 传统验证性实验和虚拟综合设计实验协调问题
传统的传感器实验教学都是在CSY系列传感器实验平台完成，实验内容和实验方式都比较单一。虚拟仪器技术的发展充分展现出了性能高、扩展性强、开发时间少、出色的集成以及基于计算机的出色的显示和存储优势，将虚拟仪器技术引入传感器实验教学，既提升了实验设备的水平，又大大节约了学校更新实验设备所需的投资，而且通过这一综合性实验为提高学生全面运用所学知识的能力创造了良好的实验条件。虚拟仪器在传感器课程教学中的应用也大大拓展了学生的知识面，使得原本枯燥的理论教学变得直观有趣，激发了學生的学习兴趣，增加了学生的动手机会，也在一定程度上培育了他们的探索精神和创新能力。同时也提高了《传感器与检测技术》实验教学方面的效果和质量，有力地推动了教学改革[7]。
1.2 实验室开放问题
传统的传感器与检测技术实验课程，教学方法比较单一，而且实验的内容大多都是验证性和插拔性的，学生做实验时只要照着书上的实验步骤和电路图进行连接，即可完成相应的实验[8]。学生要想完成开放性实验，还要联系实验室管理员，由实验室管理员告知实验室是否空闲，且必须在相应的实验室内完成，受时间和地点的限制。
虚拟传感器与检测技术实验教学平台，可以不受时间和地点的限制。只要有校园网的地方，学生都可以进行实验学习。它给学生提供了较宽松的实验环境和较大的创新空间，把更多的时间留给了学生自主探究和自主思索，更加注重学生的理论和实践的结合，极大地增加了实验室的开放程度[9]。endprint
2 虚拟实验平台总体搭建
虚拟实验教学平台分为四级界面：一级界面：实验教学系统登录界面，包含输入用户名和密码；二级界面：用户信息显示界面，包含显示用户名、权限及登录时间；三级界面：用户管理界面，包含删除和增加新用户；四级界面：具体实验目录界面组成，包含小型称重系统设计、霍尔传感器位移测量系统、电涡流传感器测速系统设计、光电传感器转速测量、热电偶温度测量系统设计及自主设计类实验[10]。该实验平台总体搭建框图见图1。
为了实现虚拟传感器与检测技术实验，根据虚拟仪器LabVIEW本身使用特点，实验平台的总设计分为前面板和后面板两个面板，其中前面板相当于传统实验仪器的外部控制面板，后面板相当于传统实验仪器中的内部实际电路，主要用来实现前面板功能的程序框图。
3 传感器与检测技术虚拟实验室的设计与实现
本文以设计小型称重装置为例，介绍虚拟实验平台的搭建，此装置包含硬件部分和软件部分，硬件部分包括金属箔式应变式传感器模型和测量电路两部分，这两部分是在Multisim中仿真设计的，软件显示和分析部分是借助虚拟仪器LabVIEW完成，整个测量系统的仿真全部在Multisim和LabVIEW软件环境中完成，最终可直接显示重量值。
3.1 硬件电路设计
此装置采用金属箔式应变设计的小型称重装置，硬件部分是在Multisim中仿真设计，包括应变模型和测量电路两部分。
在Multisim中建立的代替应变片的模型，搭建的综合电路设计见2。
3.2 显示子程序设计
显示模块是在LabVIEW虚拟仪器中设计，输入和输出的数学关系通过在Multisim中搭建的测量电路进行仿真得到的实验数据。在LabVIEW中建立VI子程序。在前面板中选择相应框图，建立的小型称重系统程序框图见图3。
3.3 前面板设计
前面板是用户与程序交互的窗口，主要用于设置输入控制参数和观察输出量，小型称重系统的前面板由输入控件和输出控件组成。输入控件用来输入电压值和重物的单价数值，主要为VI的程序框图提供数据。输出控件除了显示电阻的变化量、质量以及总金额，还包括了仪表盘显示面板和超重指示灯。整个设计完成后，对电路进行调零后，分别对18g和74g的重物进行了仿真验证，仿真结果见图4，从仿真结果上看，虽然存在误差，但基本符合设计要求。
4 网络平台设计
为了使实验不受时间和环境的限制，真正实现设备资源的共享性和实验教学的开放性，此实验系统基于TCP/IP协议，采用LabVIEW虚拟仪器网络通信技术实现VI程序能够被远程控制和访问。
5 结语
本文基于LabVIEW虚拟仪器和Multisim仿真软件进行了传感器与检测技术实验系统的设计，为学生提供了一个创新设计和自主学习的平台，该系统改变了传统插拔式、验证式的实验现象，减少了实验室建设的成本，实现了随时随地进行实验的目标，提高了实验设备的共享性和开放性，有利于应用型人才的培养。
参考文献
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[2]卢亚平，任晓，秦拥军.分散控制系统实验室的改进与创新[J].实验技术与管理，2014，31（5）：255-258.
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[10]汪兴海，黎漫斯，凌云峰，等.电工电子实验教学虚拟仪器仪表实验室构建[J].系统仿真技术，2013（3）：283-286.endprint
