基于LabVIEW的传感器实验教学研究

韦民红

1.淮北师范大学物理与电子信息学院 安徽淮北 235000

2.中国矿业大学信息与电气工程学院 江苏徐州 221116

传感器课程具有极强的综合性，介绍非电量电测技术与信息的变换和处理，属于多学科交叉的边缘学科。随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越重要。通过对该课程的学习，学生了解传感器的基本概念及静态、动态特性，传感器的变换原理、特性分析、测量电路及应用，传感器的标定方法以及信息获取方面的基本知识，初步掌握检测技术，培养学生设计、研制和应用自动检测系统及装置的基本能力。

实验课是该课程教学中的一个重要环节，是在学生学习专业基础课程和技术基础后开出的又一专业课实验。随着计算机技术和传感器技术的发展，传统传感器实验教学的问题日益显露，如要求学生根据实验指导书一步一步地操作，实验内容陈旧，实验手段单一，实验设备落后，一般只能做一些验证性实验，综合性、设计性实验内容很少，学生对于做实验只是持一种应付的心态，记录实验数据也是机械地抄袭[1]。这种情况下，不要说提高学生的创造力，就是知识的基本掌握也难以实现，3个小时的硬件实验效果很差，这不能真正提高学生的能力[2]。

把虚拟仪器引入实践教学，学生能较快地掌握仪器的原理和使用方法。虚拟仪器实验平台是一种硬件与软件相结合的实验平台，虚拟仪器技术的柔性结构，不仅可使学生从仪器库中调用现有的虚拟仪器，还可自己定义新的仪器。学生可在虚拟仪器软件开发平台上采用图形化编程语言，“制造”出仪器功能、工作参数、用户界面均由自己定义的全新仪器，给学生提供了一个充分发挥自己想象力、创造力的空间。完成实际测试过程的实验成本大大降低了，比搭建纯硬件实验要快，节省了实验时间，且教学效果更好。

1 虚拟仪器及LabVIEW

1.1 虚拟仪器

虚拟仪器(Virtual Instruments)由数据采集、数据测试和分析、结果输出显示三大部分组成，其中数据测试和分析、结果输出完全可由基于计算机的软件系统完成，因此计算机和一定的数据采集硬件，再加上软件，就可构成基于计算机组成的测量测试仪器—虚拟仪器。这里所指的虚拟仪器和EDA仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同，它可以完全替代传统台式测量测试仪器。而且EDA仿真软件中的虚拟仪器是纯软件的、仿真的。虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件获得功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器[3]。

虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域使用较为广泛的计算机语言是美国国家仪器(N1)有限公司的LabVIEW。

1.2 LabVIEW

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，被工业界、学术界和研究实验室广泛接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成并满足了GPIB，VXI，RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件，利用它，可以方便地建立自己的虚拟仪器。其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣[4]。

2 虚拟仪器实验平台的优势

由于近年来高校实验规模和设备难以满足教学需求，学生需要花费很长时间才能充分掌握实验设备的使用方法和特性，而虚拟实验室构建成本低、适应性强，能够缓解高校的实验压力。对于学生来说，虚拟实验原理简单，实验现象明显，易于观察，以前出现的硬件电路搭建问题在实验过程中已不复存在，因此能更好地掌握传感器知识。

虚拟仪器实验平台通过计算机网络打造了一个没有空间限制、随时协作、共享资源的实验环境，使学生从传统的被动学习转向主动学习。

3 LabVIEW在测试技术实验课程中的应用实例

以“温度测量”实验为例进行说明。

“温度测量”实验是测试技术实验课程中一个重要的基础性实验，不仅能帮助学生正确理解传感器与电路的基本知识，同时对电子测量相关知识的学习也有很大帮助。通过本实验，学生可以通过硬件与软件的结合，通过实际电阻型温度传感器感知外界温度的变化，从计算机上读出所测的外界温度。

LabVIEW面板图(如图1所示)：

图1 LabVIEW面板图

LabVIEW流程图(如图2所示)：

图2 LabVIEW流程图

LabVIEW后板图(如图3所示)：

图3 LabVIEW后板图

实验步骤：(1)用DB37电缆将实验板的模拟口XS1与采集卡的模拟口XS1连接；(2)调节硬件测温电路中的RX1电位器阻值，从而调节输入信号幅度和电路的放大倍数，确定电路的电压输出幅度与温度变化之间的比例关系；(3)利用LabVIEW软件设计平台及数据采集卡U18提供的功能模块，设计温度监测及显示用虚拟仪器。

实验结论：当温度升高时，热敏电阻RT1阻值变小，在分压点产生一线性电压，经电压跟随器保持后，经过放大器LM324进行一级和二级放大，输出一个正向、与温度变化成正比的线性电压。实验结果符合预期理论结果，实验过程简单，教学效果良好。

4 结束语

(1)虚拟实验软件主要实现了一种基于虚拟现实技术的传感器辅助课程教学与实验教学功能，实现在计算机上模拟实验，例如连接导线、调节旋钮、变化输入量、输出测量等实验过程，并将结果以数字和波形形式表示出来，实验数据可以选择原始保存或绘制成曲线。通过这样的形式，实验教学可以实现在计算机上进行操作，有助于学生熟悉实验过程，了解实验现象，课堂教学生动形象，减少实验时间，学生易于接受和掌握，并且有充足的时间开展综合设计性实验。

(2)通过虚拟仪器进行传感器课程实验，实验过程被简化，使学生试验过程中有所侧重。只要把重点放在传感器原理和LabVIEW软件的使用上，突出传感器课程实验的特点，不需要把精力放在硬件电路的搭建上，更加突出了现代传感的意义。虚拟仪器是当前仪器与测量发展的一个重要方向，它为各学科提供了一个通用的测量及仪器设计研究环境，也是学生多门理论课程融合、理论与实践结合的一个很好环节，同时也是对传统仪器有利且必要的补充。

(3)实验教学采用设计性、研究性实验以及竞赛式、探索式的实验方法，锻炼了学生的实践能力，激发了学生的兴趣，调动了学生的积极性，学习效果、教学效果初步良好。

[1] 韦春玲,王步飞.传感器实验教学改革的探讨[J].思茅师范高等专科学校学报,2009,25(2):78-81.

[2] 张向文.传感器原理及应用课程教学改革的探讨[J].科技资讯,2007(27):150-151.

[3] 柴晓飞.基于并行交替式数据采集系统的虚拟示波器研究[D].天津:天津工业大学,2007.

[4] 张易知.虚拟仪器的设计与实现[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.