质心平面坐标测量实验系统设计及其教学应用

罗少轩，乔爱民，王艳春

质心平面坐标测量实验系统设计及其教学应用

罗少轩，乔爱民，王艳春

（蚌埠学院 电子与电气工程学院，安徽 蚌埠 233000）

针对“虚拟仪器”和“检测技术与传感器”等课程存在实验教学设备不足的现状，课题组开发了一套基于Labview的质心平面坐标测量实验系统。该实验系统由称重平台、数个重量传感器、多通道信号变送器和计算机软件组成，能够准确地测量称重平台上不规则对象的总重量和质心平面位置坐标。该系统在使用过程中学生可以自由发挥，任意改变被测对象的位置和数量，或修改重量传感器的数量和位置坐标，有利于发挥学生的主观能动性，提升相关课程的实验教学效果。

虚拟仪器；质心测量；实验设备开发；教学研究

近年来随着国内基础设施建设加快，以及海外钻井平台管廊模块订单的增加，平面质心测量系统的需求量也越来越大。平面质心测量系统主要用于测量高架桥路面、钻井平台管廊模块等大型构件质心在XY二维平面上的分布，目的是保证上述大型构件的XY平面质心坐标尽量靠近中心，而不能往某侧偏移过多，否则容易在外界环境影响下发生倾覆和侧翻[1–2]。这种测量系统是一种新兴技术，国内外很多企业、研究机构和学者针对不同的项目，从结构设计、数值分析、框架模拟等角度对大型构件的质心分布进行了研究[3–5]。但是由于每个待测对象的体积、重量、质心分布的差别比较大，针对不同项目一般会定制一套专用的测量系统，测量成本很高，因此，设计一种通用的质心平面坐标测量系统对于解决上述问题具有重要意义。

目前，高校中的“虚拟仪器”课程主要是要求学生掌握利用各种模块化的硬件和软件，结合Labview软件，完成多种形式的测量和数据处理任务[6]。由于市面上NI公司官方的硬件模块价格比较贵，很多高校无力购买，所以该课程的实验教学主要是以计算机仿真为主，与硬件模块配合很少，实验课变成了Labview软件的上机课，很难锻炼学生的工程实践能力[7]。而另外一门课程“检测技术与传感器”的情况却恰恰相反，实验课使用的实验箱中配备了多种传感器模块，学生做实验很方便，但是由于传感器、信号处理模块、线缆连接都是封装好的，学生很难发挥主观能动性，只能按部就班地完成实验过程[8]。而且，实验只有硬件测试，缺乏后续的数据处理和计算机显示，学生难以体会到“物理量—传感器—信号调理—信号传输—数据处理-数据显示”这样一个完整的检测过程。

为解决课程中存在的问题，课程组教师结合科研项目，设计了一种基于Labview的质心平面坐标测定实验系统。该系统由一个称重平台、8只称重传感器、一个8通道信号变送器和一套Labview上位机软件组成。学生在实验过程中，可以根据被测物体的重量分布，自由设定传感器的数量和每只传感器的位置坐标，并通过Labview软件计算重物的总质量和质心坐标。该实验系统，可以同时服务于“虚拟仪器”“检测技术与传感器”和“单片机技术与应用”课程的多个实验项目。

自主研制实验教学设备，有利于根据专业课程设置和人才培养目标的实际情况，开发有针对性的实验项目，同时能够提高实验设备的利用率，节约成本[9]。探索实验设备的多课程融合，不但有利于解决购置实验设备价格高、针对性不强、实验设备购置经费不足的问题，同时也为科研反哺教学和开展实验教学研究提供了新思路。

1 质心测定实验系统的组成及工作原理

本次研制的质心测定实验系统，主要用于测定物体质心在XY二维平面上的分布，模拟测量高架桥路面、钻井平台管廊模块等大型构件的质心平面分布。实验系统主要由称重平台、坐标纸底面、8只称重传感器、一个8通道信号变送器和一套Labview上位机软件组成，如图1（a）所示。

图1 质心测定实验系统

其中，称重传感器采用微型高精度平顶称重传感器，如图1（b）所示，直径为25mm，高度为18mm，每只量程为20kg，每只传感器综合测量误差低于10g。称重传感器放置在坐标纸底面上，放置的位置坐标可以根据需要在一定范围内任意设置。称重平台是一块透明的亚克力板，水平放置在所有称重传感器的平顶上，称重平台上方用于放置砝码或其他重物等被测对象。8通道信号变送器一端连接8只称重传感器，另一端通过RS485总线连接计算机，并且信号变送器为称重传感器提供工作电源；计算机中安装有一套Labview编写的上位机软件，接收信号变送器上传的数据，处理后在软件界面（见图2）中显示被测对象的总重量和质心坐标。

图2 实验系统的上位机软件界面

实验过程中，在布置传感器的时候，重量集中的区域，传感器排布也应该集中，这样测量更加准确，同时也避免传感器过载。总重量越大，传感器数量应该越多，分布更均匀；总重量越小，传感器数量可以适当减少。

如果1～8传感器的X坐标分别为x～x，Y坐标分别为y～y，实测载荷分别为m～m，那么，称重平台上的待测物体的总重量M，质心X轴坐标Xm和质心Y轴坐标Ym则分别可用公式（1）～（3）计算得出。

利用实验系统测定重物质心，需要以下5个步骤：

第一步：确定称重传感器的数量和位置坐标。8只称重传感器不一定每次都要全部使用，可以根据被测重物的总重量、重量分布情况选用任意数量的传感器。

第二步：在坐标纸底面上摆放称重传感器，并在上位机软件中设置每只传感器的坐标。

第三步：在称重传感器上放置称重平面，并在上位机软件中去除皮重值。

第四步：在称重平面上放置待测重物。

第五步：在上位机软件中点击“计算质心”按钮，软件自动计算待测重物的总质量和质心平面坐标。

实验系统的主要参数指标如表1所示。

表1 实验系统的主要参数指标

2 质心测定实验系统的设计方法（硬件、上位机软件、质心计算公式）

2.1 系统结构设计

本次设计的质心测定实验系统，包括硬件设计和软件设计两部分。其中，硬件部分主要包括称重传感器、信号变送器、RS485电平转换器和计算机；软件部分采用Labview编写上位机软件，用于数据处理和计算。系统结构如图3所示。称重传感器的输出信号是mV级电压信号，因此接入信号变送器后，需要进行信号调理和放大处理，然后经过AD转换，变成数字信号，再通过RS485总线，发送给计算机集中处理。

图3 实验系统的结构

上位机软件采用Labview编写，这是一种图形化的编程工具，简单实用，非常适合编制用于自动化设备的测量软件[10]。软件主界面如图2所示，上位机软件主要完成以下功能：（1）与8通道信号变送器的通信，得到每只传感器的实时载荷；（2）按照传感器在坐标纸底面的摆放位置，设置各个传感器的XY坐标；（3）称重平台上未放置重物时，校准传感器和去除称重平台的皮重值；（4）称重平台上放置重物且保持稳定后，按照预置算法计算总重量和质心平面坐标；（5）根据计算结果，在界面中模拟显示各个传感器、重物质心的平面位置。软件的运行流程如图4所示。

图4 上位机软件运行流程

3 教学应用及教学效果

本次自主研发的质心测定实验系统，一方面积极响应了教育部提倡各本科高校自主研发实验教学设备的精神[11–12]，另一方面也为电子和自动化类相关专业的实践教学提供了新思路。自主研发实验设备，可以根据课程设置的实际需求，弥补市场上制式实验设备的短板，有利于教师将自身科研项目中的研究成果用来反哺教学，科研工作和教学工作相结合，进一步促进科研和教学工作的全面发展[13]。利用此次研制的质心测定实验系统，课程组教师结合教学大纲，开发了5个全新的实验项目，服务于电子信息工程专业和电气自动化专业的三门课程，如表2所示。

表2 基于质心测定实验系统开发的5个实验项目

通过将研制的质心测定实验系统应用于相关课程的实验教学，取得了较好的教学效果：

（1）项目的开展使学生了解了高架桥路面、海上平台管廊模块的质心测量方法，激发了他们的好奇心和学习兴趣；还具有举一反三的作用，引导学生发掘更多相关案例，锻炼学生的工程实践能力。

（2）通过开发的新实验项目，丰富了实验课程的教学内容。学生更直观地了解相关知识点在工程实际中的应用，强化了自身的工程化意识，同时拓宽了学生的视野，提升了实验课程的教学效果。

（3）由于实验装置是课题组教师根据自身科研项目研发的，因此拥有完全自主知识产权，可以根据不同课程、不同实验项目，随时进行修改，也可以作为相关课程的课程设计素材使用，为实践类课程的教学研究提供了新思路。

（4）在自主研发实验教学装置过程中，吸收了一些优秀学生参与研发，组成了科研小组，积极参加各类科研活动，并在学科专业竞赛中获得多个国家级奖项，有效培养了学生的科研实践能力、沟通交流能力和团队合作精神。

4 结语

自主研发的质心测定实验系统可以准确测量称重平台上待测重物的总重量和质心平面坐标，采用传感器、信号变送器、计算机、上位机软件相结合的方式，构成了一个完整的数据采集和处理系统。为“虚拟仪器”“检测技术与传感器”和“单片机技术与应用”三门课程开发了5个全新的实验教学项目，丰富了课程的实验教学内容，并为本科高校自主研发实验设备提供了新思路。实验过程贴近工程实际，有利于激发学生的积极性、锻炼学生的实践创新能力、提升课程的教学效果。

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Design of Experimental System for Centroid Plane Coordinate Measurement and Its Teaching Application

LUO Shao-xuan, QIAO Ai-min, WANG Yan-chun

（School of Electronics and Electrical Engineering, Bengbu University, Bengbu Anhui 233000, China）

In view of the inadequate existing experimental teaching equipment in the current courses such as Virtual Instrument and Detection Technology and Sensors, an experimental system for Centroid Plane Coordinate Measurement based on Labview is developed. The experimental system, composed of weighing platform, several weight sensors, multi-channel signal transmitter and computer software, can accurately measure the total weight of irregular objects on the weighing platform and the coordinates of the centroid plane. It allows students freely change the position and quantity of the measured objects, or modify the number and position coordinates of the weight sensors, which is conducive to motivate the students, stimulate their curiosity and interest in learning, and improve the experimental teaching effect of related courses.

virtual instrument; centroid measurement; experimental equipment development; teaching research

G642

A

2095-9249（2021）06-0090-04

2021-12-14

安徽省高校质量工程教学研究重点项目（2020jyxm1145）；蚌埠学院校级教学研究重点项目（2019JYXML5）；蚌埠学院新工科教学研究项目（2020XGKJY13）

罗少轩（1980—），男，湖南岳阳人，副教授，研究方向：智能仪器仪表与传感器。

〔责任编校：吴侃民〕