基于虚拟仪器的传感器实验项目开发

刘伟 袁曹浩 陈哲 王雪东 南京铁道职业技术学院 江苏南京 210000

1 引言

《传感器与检测技术》课程是高职院校电类专业教学计划中的一门重要专业基础课，该课程涉及面广、应用性强，然而在教学中由于综合实验条件的欠缺，导致课程教学内容常常偏向传感器工作原理等理论化教学。传统传感器实训装置价格昂贵，后期维护费用高，且可操作性不强，以我校为例，采用了中德栋梁的DLCG-DS110X传感器实训系统，该系统测量模块精度不高，且损坏率高，后期维护费用大，电路参数不可以灵活调整修正，以至于可操作性不强。本项目考虑利用多数据采集仪和虚拟仪器LabVIEW的图形化语言构建人机界面，实时显示和处理采集数据，通过不同传感器及其测量电路的搭建，实现温度、光强、转速等参数的检测。

2 硬件系统和软件系统

本系统用到的硬件包括：测控对象、传感器、数据采集仪、多路输出电源模块、计算机和虚拟仪器LabVIEW。在实验箱面包板上搭建检测电路，输出参数经多通道数据采集仪处理后送至计算机，在计算机中用LabVIEW设计可视化人机界面，实时显示采集数据的数值和时序图，并可进行放大倍数、采样速率等参数的调整。

多路输出电源模块：用于给数据采集仪、传感器和测控对象等提供+5V、±12V、+24V和多路输出直流电源，其中数据采集仪需要+12V供电。除多路输出采用五芯航空插头外，其他输出都采用两芯航空插头。

数据采集仪：传感器的作用是将实时连续变化的非电（大部分情况下）物理量转化为与之线性或非线性相关的电参量，也是模拟信号，标准（±10以内）的模拟电信号可以直接由示波器等测量仪器检测显示，但计算机或单片机等处理器需要将模拟量转换为数字量，才能对数据进行分析、处理和显示。因此，需要采用数据采集仪完成A/D转换。数据采集仪与计算机采用USB接口连接，支持热插拔，使用方便。使用前需要安装驱动程序。

LabVIEW软件平台：NI公司的LabVIEW软件平台具有强大的图形化系统设计能力，是目前最佳的虚拟仪器程序设计语言，可实现与硬件无缝对接。

3 系统设计

系统设计分为硬件部分和软件部分，以光照强度测量实验为例。在实验箱面包板上搭建光敏电阻光强测量电路。光敏电阻通过对数二极管进行对数压缩后，理论上其光电流与光照强度成线性关系。首先要测量出该传感器经过对数压缩后的线性函数表达式，才能利用光敏电阻完成相关量的测量。

图 1 光敏电阻光照强度测量电路图

图2 分立元件电路图

系统主程序采用LabVIEW状态机模式进行设计，程序框图如图3所示。各参数测量实验采用子VI进行设计，将采集到的数据进行线性拟合和计算，在前面板中显示测量精度和线性度。选择采样通道选择“5”，采样频率选择“3”，采样长度选择“1024”。运行程序进行光敏电阻对数压缩后的线性关系的测量。

图3 光强测量程序图

在实验过程中改变CdS光敏电阻的光照状况，用照度计测量该光照状况下的光照强度，如果改变光照强度状况后电压变化量比较小，可以电阻VR1的阻值调整电路的放大倍数。多次调整光敏电阻受光面的光照状况，接着用照度计测量该光照状况下的光照强度，可采集多次输出电压，记录数据描点画出特性图。

线性曲线通常用函数关系式y=k*x+b表示，其中横坐标x表示光照强度（Lx），纵坐标y表示传感器输出的电压。当传感器的输出电压为已知量而被测对象为未知量时，该线性函数关系式则可表示为：x=(y-b)/k，也就是说利用线性函数关系式就可以实时的测量传感器的输出电压进而计算出被测对象的量。

4 结语

该系统可采用分立元件自行搭建电路，成本较低，易于维护，学生可在此实验系统基础上利用各类传感器搭建调理电路，进行设计和创新实验，理论联系实际，可以有效提高学生的动手能力、排查故障能力，更好地理解理论内容，激发学习兴趣和探索精神。