传感器与检测技术的网络实验室构建

姜海燕， 宋庆军， 谢统颜

(山东科技大学(泰安校区)，山东 泰安 271019)

0 引 言

传感器与检测技术是工业自动化、机器人、生物医学、航空航天等技术的基础，因此，传感器与检测技术是自动化专业必修课程，掌握传感器的原理、性能特点和应用就越来越重要。《国家中长期教育改革和发展规划纲要》要求“加强实验室、校内外实习基地等基本建设……”。而且，当今是一个科技技术发展迅速而且变化很快的时代，因此，要使学生适应这种形式，必须重视实验教学。而传统的实验室和仪器的数量很难满足学生的需求[1]，传感器与检测技术的网络实验室便应运而生。

另外，在国内很多大学的网络实验与网络课程差不多，给出了Word(或PDF)格式的实验教案、实验指导书以及思考题，有的学校给出了实验录像。此类网络实验是单向的而非反馈式或双向的，实验者无法亲身体验实验过程，实验最基本的目的—提高学生的动手能力和解决工程实际问题能力便成为纸上谈兵。

1 原传感器与检测技术实验室

传感器侠义定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出的电信号器件或装置。传感器实验就是通过对传感器施加感应信息，通过测量电路输出电压(或频率)信号，并分析传感器的动静态特性，以及传感器在实际应用和选择上应注意事项。

原有的传感器与检测技术实验室主要包括两类实验：CSY3000型传感器试验台和综合测控实验台。CSY3000型传感器试验台主要是原理型、验证型实验，包括金属薄式应变片实验、电容传感器实、电感/电涡流传感器实验，温度传感器实验等。CSY环形带综合测控实验台是传感器在实际中的应用，包括材质的识别、数量的计算、转速的测量与控制、高度检测与控制、位置的检测与控制等。

该实验室可以开设50多个实验，但受到教学计划的影响，一个班通常只开设几个或十几个实验。对于那些热爱实践学习、喜欢动手操作的学生，在网上给他们提供一个实验平台；另外，对于那些热爱此专业的自学者也提供了一个很好的实践环节。

2 传感器与检测技术网络实验室构建

传感器与检测技术网络实验室主要完成两种实验类型：第一类是虚拟传感器与检测技术实验系统，实现传感器或检测方法的虚拟仿真实验，又称软件共享；第二类是传感器的远程测控实验系统，实现了自动检测系统硬件的共享，客户端能对实验设备远程控制，又称硬件共享。

2.1 虚拟传感器与检测技术实验系统

这种实验不涉及到硬件设备的调用，客户端通过访问服务器端的软件程序实现虚拟实验，所完成的实验是原理型、验证型实验，采用B/S(Browser/Server)模式[2-4]，CSY3000型试验台上完成的传感器原理的实验采用此模式。下面以电涡流传感器为例，说明交互式虚拟传感器的构建过程。

电涡流传感器主要包括位移特性实验、被测面积对电涡流传感器特性的影响、被测体的材料对电涡流传感器特性的影响、电涡流传感器在电子称中的应用，通过这几个实验的实验数据共同分析电涡流传感器的特性及应用。利用 3DS MAX 、Cult 3D 以及LabVIEW软件操作平台，实现传感器虚拟双向反馈式实验，主要包括虚拟实验室场景(实验室房间、窗户、桌椅、灯光等)构建、虚拟实验实体(实验仪器、设备等)构建、建立实体关系，用户交互单元的设计、实验过程的监视与指导这几个过程。

(1) 三维模型的建立。用现成建模工具3D MAX软件建立三维实验场景、虚拟设备模型可以缩短建模时间，提高模型逼真度，主要包括建框架、编辑材质、贴图、打灯、渲染5 大基本步骤[5-6]，模型建立完后，利用 3D MAX 的 Export 功能将该场景导出为*.c3d格式文件[7]。

(2) 交互单元的设计。Cult 3D 软件可以让建立好的模型增加互动效果，这是一种窗口型虚拟现实平台，能在网页上建立互动的三维模型。Cult 3D软件在对三维模型的三维交互操作上与其它Web 3D技术是一致的。但是，这些Web 3D技术(如VRML、3DML等)支持的是用源代码直接进行三维模型设计，需要开发者精通Java、C等基本编程语言，对于非专业三维建模人员来说有一定的困难。而Cult 3D软件是3DS Max等可视化三维建模软件输出的一个外挂插件，另外，Cult 3D软件支持ActiveX控件，为完成窗口虚拟现实，提供了方便的接口技术。

Cult3D Export Pulgin为3D MAX增加一个*.c3d的文件格式；Cult3D Designer是Cult 3D的核心技术，能够对*.c3d文件中的三维模型对象赋予旋转、缩放、声音、摄象机导航等动画特性和交互响应特性，其输出格式为*.co格式。所以，利用Cult3D Designer对刚才输出的*.c3d格式文件进行交互设计，合成虚拟实验室场景以及虚拟实验实体后，保存为*.co格式，而且*.co格式已嵌入到LabVIEW中。

(3) 3D模型在LabVIEW中运行。LabVIEW是Nl公司推出的虚拟仪器软件开发工具，采用图形化编程语言(G语言)，内置很多控件(支持ActiveX控件)，可以很方便地创建用户界面。ActiveX采用客户机/服务器的模式进行不同应用程序的链接，LabVIEW既可以作为ActiveX的客户端，又可以作为ActiveX的服务器。在LabVIEW ActiveX控件中选择“Cult3D ActiveX Player”对象，在程序框图中打开Cult3D输出的* . co文件，点击运行就可以看到3D模型。

(4) 分布。LabVIEW自带内置Web服务器，具有网页发布功能，采用HTTP 协议进行通信。这种方式VI运行在服务器端，客户端通过网页浏览器与服务器上VI的前面板进行交互。

其虚拟仿真界面如图1所示[7-10，12-13]。

图1 电涡流传感器的虚拟仿真界面

2.2 传感器与检测技术的测控实验构建

CSY环形带综合测控实验台是各种传感器在实际中的应用，其目的是培养学生综合运用传感器基本理论知识分析工程实际问题的能力，通过LabVIEW软件及相关的硬件实现该试验台的远程测控系统。

该系统中，虚拟仪器和客户端必须同时具备了收发数据的功能，因此，需采用C/S(Client/ Server)模式[9]。考虑到系统应用的安全性和规模性，将服务器分为Web服务器和Application 服务器，Web服务器负责与多个客户端进行数据的传输和软件的共享，而Application 服务器用于控制传感器和执行机构，以及运行LabVIEW，其结构如图2所示。

图2 远程测控实验结构框图

传感器与检测技术远程测控实验采用的是TCP/ IP协议[10-11]，远方的客户通过TCP/IP协议遥控服务器端所连的设备运行状态，通过图形化界面实现实验设备的启动或停止。程序的设计包括两个VI，一个是服务器端VI，一个是客户端的VI，其中服务器的启动子程序流程见图3所示。

图3 服务器的启动VI的流程图

在建立客户端和服务器端之间的通讯时，应当注意，除了指定Internet地址之外，还必须指定通讯端口号，端口是一种抽象的软件结构，包括一些数据结构和I/O缓冲区。应用程序通过系统调用与一定的端口建立绑定，端口便成为应用程序访问数据传输服务的入口，这样通过端口就可以建立进程之间的通信。端口号的范围是0～65 535，端口号最好不要低于1 000，同时，客户端和服务器的端口号必须相同，才能进行有效的通讯[12-14]。

系统要实现实时实验，必须具有视频和声音的采集和传输，客户端通过视频随时了解现场测控情况。本系统采用NI PCI-1408的视频采集卡配合NI- IMAQ的图像采集软件，利用LabVIEW 与ActiveX 软件, 实现了实验过程的录像、拍照、视频预览以及数据的实时传输等功能。主要包括摄像头图像的抓取、LabVIEW 视频的压缩保存、视频图像的简单后处理三部分。通过视频, 客户端可以随时了解现场运行状况, 并发出控制，实现了实时测控[15]。

3 结 语

分析了目前国内大学虚拟实验室存在的问题，建立了以3DS MAX 、Cult 3D 以及LabVIEW为软件平台的传感器与检测技术的双向反馈式三维虚拟实验。系统主要包括了三维虚拟实验和远程测控实验，能方便地将传感器原理的讲解演示与真实的测控实验合为一体，并且学生可以不受时间、地点的限制通过网络完成相应的实验。

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