LabVIEW虚拟仿真在《传感器原理与应用》课程教学中的应用

程珍珍 祁林 梁成武

(河南城建学院电气与控制工程学院 河南平顶山 467000)

《传感器原理与应用》课程作为自动化类专业的核心课程，通过该课程的学习，使学生掌握检测系统的设计和分析方法，能够根据工程需要选用合适的传感器，并能够对检测系统的性能进行分析、对测得的数据进行处理[1]。但由于实验课程环节比较注重结果，导致学生只能了解实验表象，无法深刻认知并掌握传感器理论。在国家大力推进新型基础设施建设及电网智能感知的背景需求下，在传感器已成为限制各行业发展的瓶颈技术面前，传感器的教学工作需要登上一个新的历史台阶。虚拟仿真实验教学的开展，可以在不借用其他课程资源的基础上，实现传感器原理专业核心课程被测场景虚拟化，检测原理可视化，规律认知在线化，助力传感器原理课程进入虚拟仿真实验教学新时代[2-3]。

虚拟仿真实验环境，给学生提供了一个开环操作的虚拟场景，学生可以在预习场景中了解虚拟实验的操作步骤；同时不用退出预习场景，可并行操作仿真实验相应步骤。多媒体教学课堂上，教师也可以直接展示该虚拟实验内容，展开视觉+现场直播式教学，扩展课堂教学手段，激发学生听课兴趣，提高课堂教学效率[4]。

该项目以电涡流传感器位移测量实验为例，采用虚拟仿真实验教学方法，替代实际实验所需的步进电机位移发生器、电涡流传感器、电桥电路、放大器、滤波器、采集卡及电脑所组成的庞大实验平台，提升了教学形式的先进性。

1 电涡流传感器的位移测量原理

电涡流传感器位移测量对象是一个内部有台阶的金属管。步进电机前进或后退产生微小位移，步进电机的驱动控制信号通过计算机串口输出。步进电机带着两个电涡流传感器线圈深入金属管内部，探测铜管的内径。如图1 所示，这两个电涡流传感器线圈和两个电阻构成差动电桥电路的四个桥臂，一起构成系统测量电路。当步进电机控制电涡流传感器在管内移动时，因为在移动过程中线圈与管壁距离不同。导致其等效阻抗发生变化。从而使电桥产生不平衡电压[5]。

图1 电涡流传感器位移测量原理图

差动电桥的供电电压E由信号源发出，10 kHz 正弦信号经过变压器隔离后作为参考信号y(t)。差动电桥的输出信号s(t)是含有大量噪声的微弱信号，经过放大、滤波送入数据采集卡。测量信号与参考信号在计算机内进行互相关分析，提取有用测量信号的幅值和相位差。电压信号对应的峰值坐标值即金属管内台阶发生变化的位置，其峰值信号的波形将在监测仪面板上显示。

2 基于LabVIEW的位移监测仪设计及实现

位移监测仪软件构成如图2所示。系统主要包括步进电机控制模块、信号采集及分析模块和波形显示模块。

图2 位移监测仪软件构成

2.1 步进电机控制程序的设计

图3给出了完整的基于LabVIEW的步进电机控制面板。步进电机控制模块分设置和操作两部分。设置部分实现了步进电机与计算机通信所用串口，步进电机的移动速度以及步进电机移动距离的设置，并直观地显示步进电机当前的位置。操作部分包括前进、后退、归零这3种操作，控制步进电机的移动方向。

图3 步进电机控制面板

图4～图6 分别给出了步进电机前进，后退及归零的程序框图。而这3 种运行方式由事件结构（Event Structure）来分别实现控制[6]。

图4 控制“前进”程序框图

图5 控制“后退”程序框图

图6 控制“归零”程序框图

2.2 信号采集、分析及显示模块的设计

位移监测仪是基于电涡流传感器位移测量装置，将位移信号转化为电压信号，并对其进行相关处理[7]，由二者的关联性，得出位移特性，实现位移的测量。进行相关处理的两电压信号中，一个是差动电桥的不平衡输出电压，含有大量噪音，由通道0 采入计算机，另一个是由信号源提供的参考信号，由通道1 采入计算机。然后应用相关算法对两路信号进行处理，最后显示有用信号的幅值和相位。因此这部分的软件设计包括信号的采集、相关原理的应用以及幅值和相位的显示这3 个模块。图7 给出了信号处理前的采集和设置模块程序框图。图8给出了相关处理及幅值和相位差显示模块的程序框图。在相关处理图形化的过程中，增加放大倍数输入控件，增强可操作性。

图7 相关数据采集程序框图

图8 图像化相关处理模块的程序框图

结合以上模块设计结果，设计了如图9 所示的位移监测仪，面板包括3 个模块，即步进电机控制模块，数据采集模块及波形显示模块。实际测量时，操作位移监测仪，设置步进电机移动距离，监测仪连续运行，同时观察波形变化。通过对波形相邻峰值之间间隔的计算就可获得位移测量结果。

图9 位移监测仪面板

3 LabVIEW虚拟仿真对传感器教学的意义

（1）在工程教育专业认证背景下，传感器原理与应用采用虚拟仿真辅助实验教学，符合坚持以学生为本的教学理念，坚持一切从学生的需求出发，注重社会对学生综合素质的要求，注重培养学生的创新能力和实践能力，调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的兴趣和潜力，增强学生的创新创造能力。通过虚拟仿真实验，使学生深入掌握传感器的检测原理及其关键技术，在工程实践中达到准确使用传感器的目的。

（2）传感器课程相关实验种类繁多，但实验室建设规模及设备量通常无法满足开设所有实验的要求，虚拟仿真教学的引入在讲课堂教学拓展到实验室的第二课堂的同时，解决了这一难题。学生实验室更加具有选择性，为学生创新实验提供了平台。任课教师还可根据学生的虚拟实验完成情况，综合评价学生成绩，完善平时成绩给分依据。

4 结语

《传感器原理与应用》在构建自动化专业类教学体系中具有重要的地位。采用虚拟仿真技术，能够突破传统认知传感器课堂教学不足，积极推进虚拟仿真实验教学模式改革。该文以电涡流传感器位移测量为例，以LabVIEW 软件为开发平台，编写了位移监测仪程序，组建了电涡流传感器位移测量系统，有助于培养学生灵活组建传感器检测系统的设计能力、实践能力及主动思考问题的能力。