LabVIEW虛擬仿真在《傳感器原理與應用》課程教學中的應用

程珍珍 祁林 梁成武

(河南城建學院電氣與控制工程學院 河南平頂山 467000)

《傳感器原理與應用》課程作為自動化類專業的核心課程，通過該課程的學習，使學生掌握檢測系統的設計和分析方法，能夠根據工程需要選用合適的傳感器，并能夠對檢測系統的性能進行分析、對測得的數據進行處理[1]。但由于實驗課程環節比較注重結果，導致學生只能了解實驗表象，無法深刻認知并掌握傳感器理論。在國家大力推進新型基礎設施建設及電網智能感知的背景需求下，在傳感器已成為限制各行業發展的瓶頸技術面前，傳感器的教學工作需要登上一個新的歷史臺階。虛擬仿真實驗教學的開展，可以在不借用其他課程資源的基礎上，實現傳感器原理專業核心課程被測場景虛擬化，檢測原理可視化，規律認知在線化，助力傳感器原理課程進入虛擬仿真實驗教學新時代[2-3]。

虛擬仿真實驗環境，給學生提供了一個開環操作的虛擬場景，學生可以在預習場景中了解虛擬實驗的操作步驟；同時不用退出預習場景，可并行操作仿真實驗相應步驟。多媒體教學課堂上，教師也可以直接展示該虛擬實驗內容，展開視覺+現場直播式教學，擴展課堂教學手段，激發學生聽課興趣，提高課堂教學效率[4]。

該項目以電渦流傳感器位移測量實驗為例，采用虛擬仿真實驗教學方法，替代實際實驗所需的步進電機位移發生器、電渦流傳感器、電橋電路、放大器、濾波器、采集卡及電腦所組成的龐大實驗平臺，提升了教學形式的先進性。

1 電渦流傳感器的位移測量原理

電渦流傳感器位移測量對象是一個內部有臺階的金屬管。步進電機前進或后退產生微小位移，步進電機的驅動控制信號通過計算機串口輸出。步進電機帶著兩個電渦流傳感器線圈深入金屬管內部，探測銅管的內徑。如圖1 所示，這兩個電渦流傳感器線圈和兩個電阻構成差動電橋電路的四個橋臂，一起構成系統測量電路。當步進電機控制電渦流傳感器在管內移動時，因為在移動過程中線圈與管壁距離不同。導致其等效阻抗發生變化。從而使電橋產生不平衡電壓[5]。

圖1 電渦流傳感器位移測量原理圖

差動電橋的供電電壓E由信號源發出，10 kHz 正弦信號經過變壓器隔離后作為參考信號y(t)。差動電橋的輸出信號s(t)是含有大量噪聲的微弱信號，經過放大、濾波送入數據采集卡。測量信號與參考信號在計算機內進行互相關分析，提取有用測量信號的幅值和相位差。電壓信號對應的峰值坐標值即金屬管內臺階發生變化的位置，其峰值信號的波形將在監測儀面板上顯示。

2 基于LabVIEW的位移監測儀設計及實現

位移監測儀軟件構成如圖2所示。系統主要包括步進電機控制模塊、信號采集及分析模塊和波形顯示模塊。

圖2 位移監測儀軟件構成

2.1 步進電機控制程序的設計

圖3給出了完整的基于LabVIEW的步進電機控制面板。步進電機控制模塊分設置和操作兩部分。設置部分實現了步進電機與計算機通信所用串口，步進電機的移動速度以及步進電機移動距離的設置，并直觀地顯示步進電機當前的位置。操作部分包括前進、后退、歸零這3種操作，控制步進電機的移動方向。

圖3 步進電機控制面板

圖4～圖6 分別給出了步進電機前進，后退及歸零的程序框圖。而這3 種運行方式由事件結構（Event Structure）來分別實現控制[6]。

圖4 控制“前進”程序框圖

圖5 控制“后退”程序框圖

圖6 控制“歸零”程序框圖

2.2 信號采集、分析及顯示模塊的設計

位移監測儀是基于電渦流傳感器位移測量裝置，將位移信號轉化為電壓信號，并對其進行相關處理[7]，由二者的關聯性，得出位移特性，實現位移的測量。進行相關處理的兩電壓信號中，一個是差動電橋的不平衡輸出電壓，含有大量噪音，由通道0 采入計算機，另一個是由信號源提供的參考信號，由通道1 采入計算機。然后應用相關算法對兩路信號進行處理，最后顯示有用信號的幅值和相位。因此這部分的軟件設計包括信號的采集、相關原理的應用以及幅值和相位的顯示這3 個模塊。圖7 給出了信號處理前的采集和設置模塊程序框圖。圖8給出了相關處理及幅值和相位差顯示模塊的程序框圖。在相關處理圖形化的過程中，增加放大倍數輸入控件，增強可操作性。

圖7 相關數據采集程序框圖

圖8 圖像化相關處理模塊的程序框圖

結合以上模塊設計結果，設計了如圖9 所示的位移監測儀，面板包括3 個模塊，即步進電機控制模塊，數據采集模塊及波形顯示模塊。實際測量時，操作位移監測儀，設置步進電機移動距離，監測儀連續運行，同時觀察波形變化。通過對波形相鄰峰值之間間隔的計算就可獲得位移測量結果。

圖9 位移監測儀面板

3 LabVIEW虛擬仿真對傳感器教學的意義

（1）在工程教育專業認證背景下，傳感器原理與應用采用虛擬仿真輔助實驗教學，符合堅持以學生為本的教學理念，堅持一切從學生的需求出發，注重社會對學生綜合素質的要求，注重培養學生的創新能力和實踐能力，調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，激發學生的興趣和潛力，增強學生的創新創造能力。通過虛擬仿真實驗，使學生深入掌握傳感器的檢測原理及其關鍵技術，在工程實踐中達到準確使用傳感器的目的。

（2）傳感器課程相關實驗種類繁多，但實驗室建設規模及設備量通常無法滿足開設所有實驗的要求，虛擬仿真教學的引入在講課堂教學拓展到實驗室的第二課堂的同時，解決了這一難題。學生實驗室更加具有選擇性，為學生創新實驗提供了平臺。任課教師還可根據學生的虛擬實驗完成情況，綜合評價學生成績，完善平時成績給分依據。

4 結語

《傳感器原理與應用》在構建自動化專業類教學體系中具有重要的地位。采用虛擬仿真技術，能夠突破傳統認知傳感器課堂教學不足，積極推進虛擬仿真實驗教學模式改革。該文以電渦流傳感器位移測量為例，以LabVIEW 軟件為開發平臺，編寫了位移監測儀程序，組建了電渦流傳感器位移測量系統，有助于培養學生靈活組建傳感器檢測系統的設計能力、實踐能力及主動思考問題的能力。