传感器虚拟实验平台的设计及开发

张美凤 郭 杰

（常州工学院光电工程学院，江苏 常州 213032）

1 引言

传感器课程是测控技术与仪器专业的一门重要的专业基础课。本课程是实践性要求比较高的一门课程，需要提供良好的开放实验室环境，配置较好的教学仪器，但国内高校普遍资金投入不足。另外随着传感器实验教学仪器的日积月累的使用，仪器内部元件容易老化，影响仪器的正常使用和仪器测量结果的准确性，并且由于受实验场地和实验时间的限制，学生并不能实现随时随地进行实验。本虚拟实验项目就是在这样的背景下提出的，旨在使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展实验，提高学生的实践动手能力。

2 传感器虚拟实验平台的结构

传感器虚拟实验平台的结构如图1所示，主要包括应变式传感器、电容式传感器、差动变压器、霍尔测速传感器、霍尔位移传感器五个实验。每一个实验都设置有实验目的、实验原理、实验装置、实验步骤、仿真实验、课后思考等内容。通过前面五部分内容的学习，对实验进行预习，对实验内容有大致了解；仿真实验部分把仪器的测试功能用形象逼真的面板控件形成软件模块，像实物仪器一样完成测试、处理等任务，得到实验室里相同的实验过程，通过仿真实验将实验教学搬进课堂，搬上网络，实现理论与实践的完美融合，减少了设备资金的投入，改善了实验条件，促进了实验方法、手段的完善；最后通过课后思考，对实验过程进行反思，实现学习上的反馈，从而不断提高学习效果。

图1 传感器虚拟实验平台结构

3 传感器虚拟实验平台的开发

传感器虚拟实验平台，首先在FLASH 平台上开发五个仿真实验，然后利用LabVIEW平台构建平台框架，并将五个仿真实验调用到平台里，最后发布生成安装程序，这样此平台就可以脱离LabVIEW 平台，直接在Windows 系统下安装使用。

3.1 FLASH平台的开发

五个FLASH 仿真实验的制作过程包括制作元件库、场景制作、添加脚本代码、测试影片四个部分。下面以应变式传感器为例，具体讲解其开发过程。

（1）制作元件库

根据对应变式传感器实验的分析，确定该实验模块所需的器件与单元为：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、电源开关。制作以上各个元件，如图2所示。

图2 应变式传感器元件库

（2）场景制作

该实验模块有多个图层：背景、电阻、插孔、应变式传感器实验、导线、支架、底座、托盘、滑动变阻器、返回菜单按钮、状态栏、砝码等。场景只使用了一帧，但是图层中的元件采用了多帧制作，这样的做法是为了产生良好的交互效果。

（3）添加脚本代码

本实验模块主要的动作脚本集中在：“开始”按钮、“下一步”按钮、“返回菜单”按钮以及MainMovie。

“开始”按钮，实现的功能是：当点击“开始”按钮，状态栏就会显示第一步操作，提示实验者进行第一步操作。

其程序代码为：

“下一步”按钮，实现的功能是：每点击一次“下一步”按钮，状态栏就会显示下一步要进行的操作，而且如果实验者误点击了这个按钮或者需要查看上一步操作，可以重新点击“开始”按钮和“下一步”按钮即可。

“返回菜单”按钮，实现的功能是：当点击“返回菜单”按钮，可以返回到主菜单并重新选择实验模块，体现了交互式操作效果。

（4）测试影片

按下Ctrl+Enter，即可测试影片。应变式传感器的实验模块测试效果如图3所示。

图3 应变式传感器实验界面

3.2 LabVIEW虚拟实验平台的开发

（1）主界面设计

传感器虚拟实验平台主要包括五个实验，其主程序前面板如图4（a）所示，程序框图中通过while循环结构、case结构等实现数据流的控制，其程序框图如图4（b）所示，当在主界面用鼠标点击某一项实验时，可以进入相关的实验界面进行实验。

图4 主界面设计

（2）各子VI设计（以应变式传感器为例）

应变式传感器实验主要实验目的、实验原理、实验装置、实验步骤、仿真实验、课后思考等内容。当每点击不同的按钮，可以进行相应的实验内容。其主界面如图5（a）所示，其程序框图通过选择函数、局部变量函数、移位寄存器等实现数据流的控制，其程序框图如图5（b）所示。其它实验设计与应变式类同。

图5 应变式传感器实验设计

4 结语

通过传感器虚拟实验平台的仿真实验，可以把传统仪器的测试功能用形象逼真的面板控件形成软件模块，在计算机的协调下像实物仪器一样完成测试、处理、分析等任务，得到在实验室里相同的实验过程和测试结果；通过此虚拟实验平台可以使学生不受空间、时间限制，随时随地进行实验，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、经济、安全的实验，节约了设备资金的投入，降低了设备的使用损耗；通过此虚拟实验平台，逐步激发更多的学生开发类似系统的兴趣，有利于提高学生的实践创新能力。另外，此虚拟实验平台也为实验教学改革和实验室建设增添了活力和动力。