传感器与虚拟仪器实验室建设与教学

卢亚平， 宋天麟

(苏州大学 应用技术学院，江苏 苏州 215325)



传感器与虚拟仪器实验室建设与教学

卢亚平， 宋天麟

(苏州大学 应用技术学院，江苏 苏州 215325)

为了适应学院工科类专业建设和发展的需要，贯彻国家学以致用的培养方针，满足社会应用型人才的社会需求，根据学院现有实验条件和学科建设的需要，组建一个涉及传感器技术、检测技术、虚拟仪器Labview技术为一体的新型虚拟传感器实验室。该实验室建设既能完成课内教学项目，又能实现课外开放项目，使学生在实验实践教学过程中能够提高学习积极性和专业创新性。其中课内教学项目主要目标为提高实验实践教学质量、丰富实验实践教学和提高实验室利用率；课外开放项目主要能面向学生的兴趣小组项目、技能比赛项目、大学生创新项目、学生毕业论文和教师的科研。

实验室建设; 虚拟仪器; 传感器; 检测技术

0 引 言

随着计算机、软件、以及电子技术的快速发展，使新的测试理论、测试方法以及设备结构不断涌现并发展成熟，在许多方面改变了传统测试技术的概念。虚拟仪器技术逐步形成一种发展趋势，虚拟仪器技术的应用早已突破最初的仪器控制和数据采集的范畴。不仅应用于控制系统、嵌入式设计等，还在电子电气、射频与通信、装备自动化、汽车、能源电力等领域广泛应用。虚拟仪器技术将对21世纪的科技进步与社会经济发展起到重要作用[1]。

当前学院传感器实验室条件严重滞后，设备使用近10年历史，具有老化、检测数据不稳定、实验效果不佳等问题；并且没有专设的虚拟仪器实验室。现有的传感器实验室条件只能满足部分课程的验证性基础实验教学，没有创新性实验、虚拟仪器实验等基本教学条件。如今虚拟仪器技术在各企业广泛应用，企业需要这方面的人才，培养这方面的特色人才迫在眉睫[2]。

1 新型实验室建设的必要性

计划建设以传感器为主，虚拟仪器为辅的一体化新型实验室，重点使学生了解并掌握传感器类型、应用、设定、调节，通过Labview软件编程练习和结合硬件的数据采集实验，掌握图形化编程方式 (G语言) 与虚拟仪器平台的基本操作，培养学生实际动手能力，创新能力、独立思考与解决问题的能力，真正培养创新应用型技术人才，满足企业及地方经济发展的要求，同时也能基本满足教师的科研任务[3]。

设备具有先进性，传感器把采集到的信号通过PCI信号采集卡送达到电脑中，电脑通过Labview软件编程与组态，完成信号的处理与显示。消除了一般设备因线路老化而带来的干扰问题，使得数据测量保持稳定，且各传感器模块分散独立，互不干扰[4]。

新实验室建设具有以下特点：①开放性。全面开放虚拟传感器平台，学生与老师可参与系统设计与应用开发；②模块化。为消除原传感器实验室因所有传感器电路集成在一起而相互干扰的问题，所有传感器设备都需采用模块化结构，根据所做实验内容拿出对应的模块即可，为基础教学和创新实践教学提供方便；③工业化。采用工业级标准零部件，确保系统稳定性，质量可靠。④利用率高。满足工科类各专业的传感器课程实验部分，满足虚拟仪器课程实验和设计部分，并能为教师的科研和学生的论文、项目、比赛提供平台。⑤设备维护方便。虚拟仪器的最大的优点是用软件代替硬件，大大省略了硬件的维修，并且大部分硬件都模块化，即使出现硬件问题，更换也很方便，不会导致整个系统瘫痪[5]。

2 总体规划

为了满足课内教学项目和课外开放项目要求，将传感器与虚拟仪器实验室建设内容划分3部分，采用循序渐进的方式，分为基础技术部分、专业技术部分、应用技术部分。基础技术部分可满足各相应专业的传感器课程实验部分，专业技术部分为虚拟仪器课程设置，应用技术部分专为学生提供大学生创新项目、毕业论文、比赛等情况而设置[6]。

2.1 主要技术性能指标

购置设备的主要技术性能指标和配置的要求如下：

(1) 虚拟仪器软件。NI公司的LabView 7.0以上。电脑：CPU(i3)、内存2GB、硬盘100GB、光驱、工业主板、显示器。

(2) 虚拟仪器数据采集卡、电缆和接线端子板。PCI数据采集卡，模拟量输入通道数：单端16路，双端8路，A/D转换分辨率：12位；模拟量输出通道数：2路， D/A转换分辨率：12位；数字量输入：16路；数字量输出：16路；16位计数/定时器：3路。

(3) 电源。满足各类模块供电要求，带错接保护电路(±5 V、±12 V、±15 V、24 V) 。

(4) 各类传感器及相应模块。涉及基础技术部分即传感器课程实验。

2.2 实验要求

基础技术部分实验涉及检测基础、传感器技术等课程的实验，专业技术部分实验涉及虚拟仪器课程实验。各实验项目的举例典型，实验效果佳，实验数据易出。各相应模块应带错接保护电路、带抗干扰措施、防氧化和防震等措施[7]。

由于一般实验课程的总课时为18学时，一次实验学时为3学时，一般需设计6个实验项目,并有具体应用实例，具体应用实例为某项目的扩展实验，一般为社会典型应用[8]。

基础技术部分实验项目：实验1，应变片电阻传感器实验(单臂)。实验2，应变片电阻传感器实验(双臂)。实验3，电容式传感器实验。实验4，电感式传感器实验。实验5，光电传感器的实验。实验6，霍尔传感器的实验。实验7，超声波传感器实验。

具体应用实例：应变片传感器的应用——电子秤；霍尔传感器的应用——测速电机；光电传感器的应用——光电测速。

专业技术部分实验项目：实验1，labview软件入门。实验2，基础编程实验。实验3，文件存取实验。实验4，信号频域分析实验。实验5，数字滤波实验。实验6，虚拟温度测试实验。

具体应用实例：虚拟仪器应用——简易示波器；信号发生器；虚拟温度控制。

3 实验室建设

通过学院招标建设，基本完成实验室的建设。其中采用工业自动化设备中常用的传感器，涵盖光电传感器、电感传感器、超声波传感器、电容传感器和应变传感器等多种常用传感器，覆盖开关量、模拟量等不同信号类别。学生通过传感器接线训练、传感器调试及使用PCI采集卡进行信号采集与编程功能等，能完成信号转换、变送、采集、仪表显示与控制的主要实验功能。如图1所示，该装置模块接线端子，均采用安全型插座，使用带安全插头的导线进行电路连接；各指令开关、光电开关、传感器和指示元件的电路通过端子排进行连接。既保证学生基本技能的训练、形成和巩固，又保证电路连接的快速、安全和可靠，具有漏电保护装置，安全性符合相关的国家标准，可确保人身与设备安全[9-10]。

图1 智能检测与虚拟仪器实训装置

整个装置有4个挂箱，分别为输入输出挂箱、模拟量挂箱、控制仪表挂箱，按钮及继电器挂箱。输入输出挂箱主要列出PCI卡开关量的输入输出接口，模拟量挂箱主要列出PCI卡模拟量的输入输出接口和定时计数接口，控制仪表挂箱主要涉及智能仪表的输入输出，按钮及继电器挂箱主要提供一些开关及继电器的接口。2个收纳盒放置各位传感器，实验时需把涉及的传感器安置在平台上，接线完成实验[11-12]。

装置关键采用PCI8932信号采集卡和labview8.5应用软件。使平台上的传感器检测信号，通过PCI8932信号采集卡把检测到的信号处理后送入电脑的Labview8.5应用软件，并在labview软件界面上显示所需要的检测值。Labview的各实验界面操作简单,并在相应实验指导书中给出具体操作步骤,使基础技术部分实验的学生在没学习Labview软件的情况下,也能操作软件,完成基础技术部分的实验项目[13-14]。专业技术部分实验主要以学习Labview软件为主，在此不做具体说明。

4 新实验室建设后完成的教学任务

实验室建设以后，在2013～2014学年里承担了大量的实验教学、学生毕业论文等任务，根据表2～4所示，基础技术部分完成了7个班级，共108课时的实验。专业技术部分完成了2个班级，共114课时的实训。另在应用技术部分也取的了优异的成绩，以该实验室为基础平台，申报了2014江苏省大学生创新创业训练计划项目，参加了2014江苏省大学生机械创新设计大赛和完成了学生毕业论文设计。

5 结 语

实验室建设是各大院校培养学生实践创新的首要条件,也是各学院实验实践教学改革研究项目之一，集合学院专业特色提出一个传感器与虚拟仪器集为一体的并符合国家人才培养要求的实验室建设方案, 该建设方案能满足三个层次的实验教学需求，能够完成课内教学项目和课外开放项目的任务，经过1年的运行,实验室完成了7个班级的基础技术实验,2个班级的专业技术实验和一些应用技术部分的任务,验证了该方案的可行性,并在实际运行中取得了良好的教学效果，学生与教师普遍反映设备使用效果较好。该方案目前在国内高校具有推广价值。

表2 2013-2014学年基础技术部分情况

表3 2013-2014学年专业技术部分上课情况

表4 2013-2014学年应用技术部分情况

[1] 卢亚平,任 晓,秦拥军.分散控制系统实验室的改进与创新[J].实验技术与管理,2014,31(5):255-258.

[2] 张伟东,袁 昊,周荫清,等.基于虚拟仪器的电子测量系统[J].电子测量技术,2006,29(4):44-46.

[3] 张 文.基于虚拟仪器的实验室建设研究[J].内江师范学院学报，2004,19(2):95-98.

[4] 黄天辰,冯长江,黄兴智,等.虚拟仪器实验室建设研究[J].华北航天工业学院学报,2006,16(7):18-20.

[5] 易 军,周 伟,张元涛.面向智能化油田的物联网特色实验室建设[J].实验技术与管理,2014,31(5):249-251.

[6] 杨 宏,李国辉,常淑娟.基于labview的虚拟实验室建设[J].现代电子技术,2010(7):154-155.

[7] 吕勇军.传感器技术实用教程[M].北京：机械工业出版社,2014.

[8] 宋德杰.传感器技术与应用[M].北京：机械工业出版社,2014.

[9] 刘民岷,杨 平.基于虚拟仪器的实验室建设[J].实验技术与管理,2002,19(1):93-95.

[10] 马汉达.高校实验室建设和管理改革探讨[J].实验技术与管理，2001,18(1):118-121.

[11] 赵胜会,刘 平.基于虚拟仪器的计算机控制实验系统[J].微计算机信息，2006,22(7):78-80.

[12] 李小波,吴 浩,孙炳章.基于labview的虚拟实验室研究[J];煤矿机械，2004(9):33-35.

[13] 戴 冲,姜向东.虚拟仪器技术的实验室设计与应用[J]; 中国测试技术, 2007,33(5):59-61.

[14] 童 刚.虚拟仪器实用编程技术[M].北京:机械工业出版社,2013.

Construction and Teaching of Sensor and Virtual Instrument Laboratory

LUYa-ping,SONGTian-lin

(Applied Technology College, Soochow University, Suzhou 215325, China)

In order to meet the needs of college engineering specialty construction and development, to implement national education policy, and to meet the social demands for applied talents, according to existing experimental condition in our college and the discipline construction needs, we establish a new virtual sensor laboratory that involves sensor technology, detection technology, virtual instrument technology. The laboratory construction can accomplish the teaching in class, and also can realize the extracurricular open project. So that students from the experimental practice teaching process can improve learning motivation and professional innovation. The main goal of teaching in class is to improve the experimental teaching quality, enrich experimental teaching contents, and improve the utilization rate of the laboratory. Extracurricular projects mainly contain the projects to enhance student interest and skills in competition, students’ innovative project, students’ graduation thesis and the teachers’ scientific research.

laboratory construction; virtual instrument; sensor; detection technique

2015-01-17

卢亚平(1982-)，男，江苏苏州人，硕士 ，实验师，研究方向:自动控制。Tel.:13962212905；E-mail:luyaping1982@126.com

TP 391.9

B

1006-7167(2015)08-0101-03