基于Labview的数据采集与处理实验教学研究

查申龙，马宏亮，张启磊，潘 盼，占生宝

（安庆师范大学电子工程与智能制造学院，安徽安庆246133）

光电检测技术与应用是光电信息科学与工程专业的一门重要的专业课程，内容涉及各类光电器件的工作原理及光电检测技术的应用，具有较强的理论性，学生难以从单纯的课堂教学中很好地掌握课程内容。为了加深学生对课程内容的理解，掌握光电检测系统的工作原理，除了理论教学外，一般还会安排实验教学环节。只有通过原理性实验的操作和综合性实验的设计，才能让学生初步具备利用光电检测技术解决实际问题的能力。

Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用于开发虚拟仪器的平台，与其他编程语言不同的是，Labview采用的是图形化编程语言——G语言，这种编程语言通过框图的形式来实现程序的编写，其特点是简单、易学[1]。在运行过程中能够显示数据的流向，更利于学习者掌握程序的工作流程[2-3]。基于Labview的虚拟仪器平台将硬件与软件相结合，根据实验需求，学生可以充分发挥创造力，开发出不同功能的虚拟仪器[4-5]。与传统仪器相比，其智能化程度更高，并且大大降低了实验经费的投入[6-7]。

为了提高光电检测技术在实验过程中数据采集和处理的效率，本文利用Labview虚拟仪器平台设计实时采集和处理探测器输出信号的程序，将信号强度直观地显示在波形图表中。与传统手动记录和人工处理数据相比，该方法能够明显提高实验教学效率、避免数据记录错误。整个过程中，数据是实时显示的，因此有较强的体验感，根据需要还可以采用不同形式显示实验数据，有效提高学生的学习兴趣，教学效果更好。

1 数据采集与处理技术在实验教学中的应用实例

以光纤位移传感技术的实验内容为例，设计基于Labview 平台的数据采集与处理程序，探讨基于Labview平台的虚拟仪器在光电检测技术中的优势。

光纤位移传感技术实验的目的是了解光纤位移传感器的工作原理和特性，实验内容包括光纤位移光学系统的搭建、光纤位移传感器测距原理实验以及光强与位移之间函数关系的标定。光纤位移传感器的工作原理如图1所示，光源发出的光经发射光纤耦合后入射到反射面，被反射的光线进入接收光纤，并耦合进入光电探测器。发射光纤与接收光纤的半径分别为rE和rR，中心距离为d，光纤的数值孔径为N，光纤的发散角为

图1 光纤位移传感原理

由于θ=arcsin N，所以上式可以写成：

本实验通过测微丝杆调节光纤传感器与反射面之间的距离，利用万用表测量探测器的输出电压，记录不同位移下的电压值，并填入表中。根据表中记录的数据作光纤位移传感器的位移特性曲线，计算其灵敏度和非线性误差。

2 基于Labview平台的数据采集与处理方法

2.1 数据采集程序设计

USB-6003数据采集卡有4个差分通道和8个单端通道，ADC分辨率为16位，提供了模拟I/O、数字I/O和一个32位计数器。USB-6003为简单的数据记录、便携式测量和院校实验室实验等提供基本的数据采集功能。该设备具有轻便的机械外壳，采用总线供电，非常便于携带。数据采集程序的设计思路为，设定物理通道、采样时钟、开始任务、数据读取、任务结束、任务清除、错误输出和数据保存。

利用DAQmx中的创建通道函数建立数据输入的物理通道，选择“浏览”可以显示所有的通道名称，利用Ctrl键可以选择多个通道。在定时函数中设置采样模式和采样率，由开始任务函数和读取函数对输入的数据进行读取。为了能够长时间采集数据，程序中利用for循环设置采样时间，采集程序读取的数据通过波形图表实时显示。

2.2 数据处理

光纤位移传感技术的实验装置如图2所示，主要包括光纤探头模块、光源及探测器电路模块和数据采集与处理模块。传统实验过程中，数据纯粹依靠手动记录万用表的数值，而且将某一时刻的电压作为该位移下的信号值，难免会增加实验误差，增大位移和信号之间函数关系的不准确性。为了降低实验数据误差，将数据读取函数输出的信号值存入数组，然后选取一定长度的数据，利用平均值函数计算平均值，并将其作为探测器的输出信号值。

2.3 数据存储

Labview提供了写入电子表格文件函数，可以将一个一维数组或二维数组写入文件。在文件路径端口处指定文件路径，若未指定文件路径，则程序会弹出“文件”对话框，提示用户设定文件名。“添加至文件？”端口用于控制输入的数据追加到已有文件的后面还是覆盖原有文件。本文设计的程序中，将与“添加至文件？”端口相接的布尔变量设置为TRUE，采集的数据追加到已有文件的后面。“转置？”端口的布尔变量设置为TRUE，将输入的数组做转置运算，然后将运算结果存储为电子表格文件。数据采集与处理程序的运行界面如图3所示。

图2 光纤位移传感技术实验装置

图3 数据采集与处理程序

3 结束语

随着数字信号处理技术的发展，传统的实验教学方法已很难满足社会对各种技能型人才培养的要求，现代化教学手段的应用势在必行。本文将基于Labview平台的实验数据采集和处理技术引入光电检测技术实验教学中，大大提高了实验教学的效率。教学效果表明，该方法有助于促进理论内容的掌握，能够有效提高学生利用光电检测技术实验平台设计综合性实验的能力。