基于虚拟仪器的多传感器实验教学系统的研制

摘要：CSY-998型传感器实验仪集成多种传感器，可以完成多种传感器实验，但其接线繁琐、所需测试设备多、手工记录数据误差大。为了提高开放性创新实验室的利用率，增强学生对传感器的掌握，同时方便实验教师对学生实验进程的管理，本文应用LabVIEW软件在上位机上设计了基于虚拟仪器的多传感器实验教学管理系统，包括实验用户管理、实验项目管理、实验权限、实验数据处理、显示等，从而增加了传感器实验的多样性、创新性、实验时间的自由性，解决了CSY-998型传感器实验仪的局限性，提高了教师对开放性实验室的管理。

关键词：传感器实验教学LabVIEW管理系统

传感器实验课程是工科院校学生掌握传感器相关知识以及了解传感器性能和作用的重要途径之一，但是传统的传感器实验课程采用统一的实验授课方式[1]，学生在实验时，按照实验要求插接线，然后手工记录数据，将数据给实验指导教师检查签字通过后，课后根据数据手动绘图，对数据进行分析，最后上交实验报告，学生在整个实验过程中毫无主动性，更无法调动学生的积极性及创新性，学生的能力也得不到充分的培养。尤其是学校选购的浙江大学高联公司生产的CSY-998型传感器系统实验仪[2，3，4]集成多种传感器，内置各种信号转换及处理模块，学生在在整个实验过程中不仅需要根据不同类型的传感器的输出调试仪器，还需要根据各种传感器的输出信号不同使用各种专用的测试仪器[5]来完成，从而导致实验难度增大，成本增加，不利于开放性实验室的建设与管理。虚拟仪器[6，7，8]系统的用户可以根据自己的需要，自行设计自己的仪器系统，如电压表、电流表、示波器等。在虚拟仪器中主要采用LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）[9，10，11]进行编程，它是一种图形化的编程语言[12，13]，面向的是没有编程经验的用户而不是编程专家，因此十分适合工科类学生作为基本的软件开发平台[13，14]。只要一台电脑加上传感器实验仪，就可以实现实验室管理人员对仪器设备的管理，教师就可以了解传感器实验的进展以及学生实验的基本情况；而学生也可以根据自己的需要设计形式多种多样的数据显示界面，从而使传感器实验更具有趣味性、创新性，也能够充分挖掘实验室资源的独特潜力，提高实验室的利用率。

一、实验硬件平台介绍

本文所介绍的多传感器实验教学系统是基于虚拟仪器以及浙江大學高联公司生产的CSY-998型传感器系统实验仪的，系统的硬件组成主要包括CSY-998型传感器系统实验仪、多通道数据采集卡、计算机等，其框图如图1所示：

CSY-998型传感器系统实验仪是浙江大学高联公司生产的曾获全国高科技产品优秀奖及浙江省优秀科技成果奖的实验仪，是集被测体、各种传感器、信号激励源、处理电路和显示器于一体的综合实验平台，主要由四部分组成：机壳、机头（传感器安装台）、显示面板、调理电路面板等组成。它包含霍尔式传感器、电容式传感器、压电式、磁电式传感器、热敏电阻、热电偶传感器、电感式传感器、光纤式传感器、湿敏传感器、光电式传感器等二十余种传感器、十二个实验模块，能完成包括光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。

二、实验的软件平台

由于该实验系统主要是希望创新实验室学有余力的学生能够利用空余时间进行实验，因而本文软件部分主要是在前面介绍的硬件支持下，根据需要，采用LabVIEW编写了整个实验管理系统[15]。系统的主要组成包括：登录界面、实验选择界面、用户管理、学生名单等。

登录界面主要设置了系统管理员、教师、学生登录，不同的身份登录后的权限不同，管理员具有实验选择、用户管理、查看学生名单的权限；教师具有实验选择、查看学生名单的权限；而学生则只具有实验选择的权限。登录后系统管理员、教师、学生界面权限如图2所示：

在实验选择窗口下，设置有金属箔式应变片———温度的影响实验、直流全桥的应用———电子称实验、交流全桥的应用———振动测量实验、差动变压器性能实验、压电式传感器振动实验、超声波传感器测量距离共六个实验，教师可以根据教学的要求添加不同的实验；学生可以根据自己的兴趣选择不同的实验进行操作，实验选择菜单前面板图如图3：

在用户管理窗口下设有查看用户表、添加用户、删除用户等几项操作选择，系统管理员可以根据登陆者的不同身份赋予不同的权限，其前面板图如图4所示：

在学生名单窗口下，系统管理员可以加入学生名单，教师点击学生名单按钮可以查看选择实验的学生名单，并对学生进行一定的管理。如下图所示：

三、实验项目简介

在前面一节介绍的实验选择窗口下共设置了金属箔式应变片———温度的影响实验、直流全桥的应用———电子称实验、交流全桥的应用———振动测量实验、差动变压器性能实验、压电式传感器振动实验、超声波传感器测量距离共六个实验，在这一节中将对各个实验项目进行一些简单的介绍。

在这六个实验中，前面5个实验属于验证加设计型实验，学生可以根据实验指南在CSY传感器实验仪接线，然后在LabView下根据自己的风格设计不同的界面，对实验数据进行处理及显示。最后一个超声波传感器测量距离的实验属于综合性设计实验，学生需要根据教师给出的实验框图设计整个实验的硬件电路以及软件界面，希望学生能够通过这样既有验证型实验又有设计型实验相结合的实验课程，提高学生动手能力以及创新的意识。

以实验二电子称实验为例，学生选择实验二的按钮后，进入实验界面如下图所示，按照之前的图连接好仪器，检查无误之后，点击开始实验按钮开始实验，实验完成在前面板显示结果如下图所示：

实验完成后可以点击完成本次实验按钮完成该次实验，也可点击返回实验主界面按钮回到实验主界面，选择其他实验继续进行实验。

基于LabView的多传感器实验系统解决了CSY-998型传感器实验台界面不友好，实验结果不直观，实验操作调节复杂，所需测试仪器多的弊端。整个实验操作过程更加简单方便，人机界面友好，具有传统仪器不具备的独特优势，在实验时无需给每个实验组配备示波器，学生可以根据自己的设想，设计各种富有个性的实验测试面板，大大提高了学生的学习兴趣以及创新的能力。由于该实验系统主要面向的是创新实验室学有余力的学生，通过该系统学生可以根据自己的专业要求、时间，自由选择相关的实验，安排合理的时间进入实验室实验，并能够进行相关的实验面板设计，这样可以充分利用学生空余时间，也能够充分发挥学生的创造能力，提高学生实验动手的兴趣，这在实验改革过程中有十分积极的作用。

参考文献

[1]朱笑花.“传感器与检测技术”实验课教学改革探讨[J].长春师范学院学报（自然科学版），2013，32（1）：135-137.

[2]王敏，张望先，张铮等.基于CSY型传感器实验台数据采集系统的研制[J].实验技术与管理，2003，20（6）：23-27.

[3]孔燕，姚恩涛，陈虢等.CSY系列传感器实验系统的动态实验开发[J].实验室研究与探索，2007，26（1）：34-37.

作者简介

曹晓燕（1986—），女，汉族，四川成都，硕士，助理工程师，研究方向：传感器、信号处理。