| 标题 | 虚拟传感器的开发与应用 |
| 范文 | 王雷涛 朱静 凤翔丽 李兵 摘要：为了实现实验教学对实际测量场景的替代，该文以航空器剪应力传感器为例，对虚拟传感器开发与应用进行了说明。实践证明，引用基于LabVIEW的虚拟传感器，通过数据输出卡，为《数据采集与处理》实验课提供真实的传感器数据源，解决目前实验课无法提供多样传感器数据源问题。此外，建设基于LabVIEW的虚拟传感器实验室节约建设成本，为更改传统实验室提供了新思路，同时，也为测量仪器的标定与校验提供了新方法。 关键词：虚拟传感器；LabVIEW；数据采集；实验教学 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）04-0261-02 Abstract： In order to realize the substitution of experimental teaching for the actual measurement scene， this paper takes the aircraft shear stress sensor as an example to illustrate the development and application of virtual sensor. It has been proved in practice that the virtual sensor based on LabVIEW is used to proved the experimental class of “date acquisition and processing” through the date output card， so as to solve the problem that various sensor date source cannot be provided in the experimental class at present. In addition， the construction of virtual sensor laboratory based on LabVIEW saves construction cost， provides a new idea for changing the traditional laboratory， and also provides a new method for calibration and calibration of measuring instruments. Key words： virtual sensor； LabVIEW； data acquisition； experiment teaching 《中国制造2025》已经全面部署及实施，企业也逐渐从劳动密集型转向技术密集型，这对高等院校办学理念提出了新要求[1]，企业需要高素质，高技能，深度介入行业背景的精英人才，学生也迫切需要与企业需求更加切合的专业领域教育，以此提高他们的就业竞争力，因此，建设具有特性鲜明，行业背景清晰的高等院校刻不容缓。 集中授课作为学校培养模式的重要手段，课改任务必须与行业对接，在课程中引用现有技术载体是实现对接的重要手段。 1 传感器在《数据采集与处理》课程中的定位 数据采集作为获取信息的工具，在国民经济的各个领域，如核电、石化、冶金、航空航天、机械制造等方面有着非常重要的地位，数据采集（Data acquisition）是信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号的测量与处理、微型计算机等先进技术为基础而形成的一门综合应用技术，其实用型很强[2]。 传感器作为数据采集的主要对象，其特性与数据形输出形式是数据采集课程分析与处理的关键因素，尤其是在实训课程中，数据采集没有传感器的数据作为支撑，对其后续的处理方法与结果分析都无法实质性验证，更无法探究优劣方案，严重影响学生学习兴趣。因此，能够提供多样的传感器类型与可变的物理数据是充实《数据采集与处理》课程关键。 2 航空传感器实验室困境 航空传感器具有种类多，结构复杂，输出信号标准不统一等特点，比如民用飞机主要的传感器有：空速管、静压孔、温度、失速传感器、陀螺仪、迎角传感器、接地传感器、湿度传感器、加速度传感器等大约有2000～4000个传感器，并且需要能在-60℃～+50℃正常工作。从实验室建设的角度，如此之多的传感器没有提供实物的可能，与此同时，绝大多数传感器，比如空速管、失速传感器、气压传感器等，在实验室环境下，若要提供飞机上的测量变量，困难重重；此外，传感器智能化发展是传感器的重要发展方向，目前，在航空领域，已开发出基于CAN总线的传感器[4]，技术更新、发展迅速也是其实验室服务周期更短；再有，航空传感器因军标审核严，质量把控环节多，加工工艺复杂，批量小等诸多因素，采购价格远高于民品级，再因保密周期长，建设多样的航空传感器实验室异常困难。 3 虚拟传感器组建 虚拟传感器是基于虚拟仪器技术的传感器，虚拟仪器由美国国家仪器（NI）主导开发，其LabVIEW软件为主要开发环境，利用计算机强大的图形环境，采用可视化图形的图形编程语言，在计算机上建立图形化面板代替常规传统仪器面板[3]，为现有的测量、数据采集与输出提供了新思路。 虚拟传感器组建的主要思路是，首先获取传感器测量数据，其方法是将物理传感器搭载真实测试环境，经信号调理后，使用数据采集卡将传感器数据存贮至PC，如图1；虚拟传感器使用LabVIEW软件调取所保存的数据，通过加载噪声源等信号处理，模拟真实干扰信号，再通过数据输出卡进行传感器信号输出，输出信号再经过信号变换处理，模拟真实传感器输出量，其组建流程如图2。 4 虚拟传感器案例 本案例采用航空器上的剪应力传感器作为虚拟传感器开发对象，选用的是美国国家仪器（NI）的基于USB总线的数据采集卡USB-6210。该采集卡分辨率为16位，最大采集频率250kS/s，模拟输入通多16路，可满足一般模拟传感器的数据采集任务。为保障数据有效性，本案例采用差分多通道输入，并同步采集五路传感器数据作为航行器不同位置剪应力数据，在输出时，可选用不同传感器作为多个应用场景。DAQAssistance为数据采集的快速VI，在LabVIEW软件中调用此VI，可快速对USB-6210进行采集参数编辑，免去了低级程序的编写。极大地缩减了采集程序的开发时间，调用格式化写入文件VI可将采集数据存入Excel表格，作為后续输出数据源，其LabVIEW人机交互界面如图3，五通道剪应力数据采集至Excel程序如图4。 虚拟传感器硬件选用泛华测控的PS PXI-3381数据卡作为模拟信号输出卡，3381模拟输出卡具有32路同步模拟输出能力，16bit的分辨率，每个通道可独立配置电压输出或电流输出，其通道多、配置资源较丰富，可满足应用需求，此外，3381基于PXI总线传输协议，使用时，需另配备PXI机箱，PXI规范于1998年发布，继承PCI的电气信号，拥有更高的数据传输能力，同时，也具备更加牢靠的机械外壳与高性能的连接器特性，方便实验室扩展与使用，本案例选用泛华测控PS PXI-9108机箱，泛华测控拥有独立的驱动及VI，对其硬件进行任务配置，开发前需安装泛华PS-DAQ驱动。剪应力虚拟传感器软件流程如图5，在启动软件后需配置硬件、设置输出参数、加载传感器数据源、加载噪声特性、读取数据并输出，其人机交互界面如图6。本案例采用PS-DAQ-创建模拟电压通道VI配置数据输出通道、PS-DAQ-采样时钟VI对3381输出卡输出数据进行定义，PS-DAQ-重生通道VI对输出数据循环模式进行定义，其实现程序如图7。 5 结束语 分析了目前高等院校传感器硬件资源建设的困难，提出了基于LabVIEW软件实现虚拟传感器的方案，并通过航空器剪应力传感器的虚拟传感器制作，对虚拟传感器的方案进行了说明，为《数据采集与处理》实验授课提供了新办法，此外，建设成本低，容易实现为建设传统传感器实验室提供了新思路，同时，也为测量仪器的标定与校验提供了新方法。 参考文献： [1] 改玲，陈雪峰，陈花玲，等.面向“中国制造2025”工程实践人才培养模式的改革思考[J].高校实验室工作研究，2018（2）：108-110. [2] 陈多芳.《数据采集与处理》仿真实验教学研究[J].教育教学论坛，2016（20）：263-264. [3] 宋佩利，赵春祥，连蓉.基于LabVIEW的数据采集及处理系统设计[J].现代工业经济和信息化，2018，8（3）：43-46+48. [4] 韩梅.航空转速传感器数据采集系统的设计研究[J].机电产品开发与创新，2017，30（5）：135-137. 【通联编辑：代影】 |
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