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传感器实验台与虚拟仪器系统开展传感器课程实验的结果分析

范文

李勇伟　张靓靓　张婧婧

摘要：传感器实验台常用于显示测量的物理量，而虚拟仪器系统不仅能够测量信号，还可以扩展为测控系统。设计传感器虚拟仪器旨在开展测控课程实验项目，通过与实验台测量的数据进行比较，分析测试系统的性能指标。结果表明，在灵敏度指标差异不大的情况下，虚拟仪器系统线性度优于传感器实验台的测量。

关键词：传感器实验台;虚拟仪器;线性度;灵敏度

中图分类号：TP391? ? ?文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）02-0133-02

Abstract： The sensor test-bed is often used to display the measured physical quantity， and the virtual instrument system can not only measure the signal， but also expand to the measurement and control system. The purpose of designing sensor virtual instrument is to carry out the experiment project of measurement and control course， and analyze the performance index of the test system by comparing with the data measured by the experiment platform. The results show that the linearity of the virtual instrument system is better than that of the Sensor Test-bed when there is little difference in the sensitivity index.

Key words： Sensor test bench; Virtual instrument; Linearity; Sensitivity

1 概述

与传统工科相比，“新工科”强调工科实用性、交叉性与综合性[1]。传感器实验台为课内实践教学[2]的专业课程提供理论教学内容验证，也能帮助学生在《传感器技术》《测控技术》等实验课程中理解和掌握测试系统的组成。农业高校工科专业以新工科、新农科建设为契机，开展基于学科交叉融合背景下[3]，传感器实验台难以达到面向新工科的工程实践教学体系建设综合设计能力训练的要求[4]。结合传感器实验台与课程实验项目设计开发虚拟仪器测控系统[5，6]，既可以完成工科类各专业的传感器课程实验、虚拟仪器课程实验及设计，为教师的教學研究和学生的毕业设计、大学生创新项目提供平台，还可以满足师生面向工程实践的项目设计开发的需求[7]。

由于传感器实验台实验操作中涉及检测技术、被测信号获取、信号调理以及显示等技术[8]，实现各技术环节的元器件都会对测试系统性能产生影响。通过改进调理电路使传感器实验台的线性度与灵敏度指标得到一定改善[9]，然而7位精度的模数转换采样与显示一体芯片[10]影响了系统性能。利用高速与高精度数据采集卡设计虚拟仪器可以提高测试系统性能[11]，还能通过网络发布实验测量结果[12]。学生在传感器实验台与虚拟仪器系统分别完成课程实验项目，比较两者的测量数据并分析系统的性能指标。通过实验过程的比较，学生能够更好地认识检测系统组成的各个环节的作用，并初步分析对检测系统性能指标产生影响的可能因素。

2 测控类课程实验教学设计

农业工科类课程体系中通常使用传感器开展实验教学的课程包括《传感器技术》《机械工程测试技术》《测控技术》。实验项目通常包括：金属箔应变片测重、霍尔传感器测速、电涡流位移测量、压电式传感器振动测量。实验过程中，学生先在实验台开展实验项目并记录数据，然后使用虚拟仪器系统进行同步实验项目。通过将实验台测量数据输入虚拟仪器用户界面，应用数据拟合与最小二乘算法，分析实验台与虚拟仪器的系统性能指标。

2.1 实验台开展实验教学

实验者在SET2000传感器实验台连接传感器、实验板、实验台电源与显示仪表后，将调理电路调谐好并对传感器输出调零，然后逐步加载并记录实验数据。实验台传感器在加载前调零过程中，由于电磁干扰或数显表采样芯片的误差，数显表读数总是在零点波动。实验进行中每次读数时，数显表的数据也总存在波动，实际中采用读取稳定时间较长的数据，如图1所示。

2.2 虚拟仪器系统开展实验项目

（1）虚拟仪器组成

虚拟仪器系统由传感器、实验板、采集卡与运行虚拟仪器程序的计算机组成，采用美国国家仪器公司（NI）采样速率1.25 MSS-1的16位分辨率数据采集卡USB6253，系统开发平台选用图形化编程语言LabVIEW2013版。

实验者操作的用户界面包括实验项目、通道配置、定时采样、数据记录、比较分析五个部分，其中比较分析包括表格对比与曲线比较两种形式。用户界面如图2所示，物理通道选项从连接的采集设备选择接线通道，信号端配置选用差分方式。

选定实验项目，最大值与最小值用于限定该实验项目输入信号的幅值，偏置调节用于系统调零，读数暂停控件用于逐次读取传感器数据，系统性能分析用于比较两种实验系统性能指标。

（2）虚拟仪器减小误差设计

用采集卡将调理电路输出显示在虚拟仪器系统，可以采用偏置补偿与读取缓冲区数据平均的方法分别减少调零环节，实验台读数估读偏差。数据缓冲区数据取平均值作为偏置值用于减少传感器与调理电路的零点误差。每次循环将读取的数据求和并取平均值作为测量数据，可以减少数据波动对读数的影响。

3 传感器实验台与虚拟仪器实验结果比较

3.1 拟合曲线比较两种试验方法获取的数据

传感器课程实验目的是通过测取数据使学生掌握实验装置使用方法及评价系统性能的衡量指标。Labview最小二乘法拟合分析实验台读取数据，并与虚拟仪器测量数据比较，可以获取两种测量系统的灵敏度与线性度指标。点击系统性能分析中实验台性能与虚拟仪器性能控件，可以得到两种测量系統的测量数据与拟合曲线。

3.2 系统性能指标分析

由图4可知，传感器实验台与虚拟仪器传感器系统测量的数据比较接近，从拟合的曲线难以观察两种系统的性能优劣，因此依据灵敏度与线性度的确定方法，通过程序框图实现。虚拟仪器用户界面可以看到实验台灵敏度与线性度分别为0.7335、0.0048，虚拟仪器相应参数为0.7393、0.00252。

4 结论

针对传感器实验台扩展性较弱的问题，设计传感器虚拟仪器系统为师生测控项目的研究设计提供开发平台。通过分析两者性能并针对课程实验项目的测量数据表明：

1）实验台与虚拟仪器系统灵敏度比较接近，说明测量系统的灵敏度由传感器决定。

2）虚拟仪器系统与传感器实验台相比，线性度从0.48%提高到0.25%，说明采样精度与方法对系统线性度的测量具有一定影响。

参考文献：

[1] 宋树杰，赵武奇，张清安. “新工科”背景下食品科学与工程专业“电工学”课程教学体系改革的探索[J]. 农产品加工， 2019（5）：98-102.

[2] 杨中秋，曾祥福，徐玉芬.工科院校实践教学共享平台建设与实践教学体系构建研究[J]. 高校实验室工作研究，2014 ，9：105-108.

[3] 廖庆喜，张拥军，廖宜涛，等.基于学科交叉融合的农业工程类一流专业建设探索与实践[J]. 高等工程教育研究， 2019 ，5：11-15.

[4] 孙科学，郭宇锋，肖建，等.面向新工科的工程实践教学体系建设与探索[J]. 实验技术与管理，2018，35（5）：233-235.

[5] 张婧婧，李勇伟.以应用为“锚”的传感器课程教学方法研究[J].计算机教育，2017，1：152-154.

[6] 张婧婧，李勇伟. 传感器技术仿真实验的设计与研究[J].实验室科学与技术，2017，15（1）：50-52.

[7] 卢亚平，宋天麟.传感器与虚拟仪器实验室建设与教学[J].实验室研究与探索，2015，34（8）：101-103.

[8] 金梅，张立国，金菊. “传感器原理与设计”课程立体教学模式的改革[J].电子电气教学学报， 2016，38（4）：48-50.

[9] 李勇伟，李雪莲，张婧婧，等.金属箔应变片调理电路实验的改进与实现[J]实验室科学， 2012，5（2）：74-76.

[10] 张勇，王冀超.智能数据检测管理系统的硬件应用研究[J]计算机技术与发展，2011，21（ 2）： 230-233.

[11] 李勇伟，张婧婧.设计虚拟仪器系统对传感器实验台应变片测量性能的研究[J].现代计算机2017，7：50-55.

[12] 蒙艳玫，李文星，叶志豪，等.网络化远程测控实验教学平台的研究与实践[J].实验室研究与探索， 2016，35（7）：108-112.

【通联编辑：梁书】

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