基于虛擬儀器的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

劉崇科　祝忠明

【摘 要】傳感器實(shí)驗(yàn)課程是信息類專業(yè)學(xué)生所必須學(xué)習(xí)和掌握的一門重要課程。傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)課程中存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟固定、學(xué)生參與度不高、設(shè)備更新?lián)Q代困難等問(wèn)題。在本文中，使用以LabVIEW為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)軟件，結(jié)合泛華恒興公司的nextboard教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，介紹和討論了基于虛擬儀器的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。實(shí)踐表明，該方法使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加靈活、學(xué)生參與度提高，課堂效率顯著提高。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器；LabVIEW；傳感器

傳感器課程研究的是將各種非電信息與電信息相聯(lián)系的方法，涉及到這兩種信息之間的相互變化和相關(guān)的處理技術(shù)，而且隨著現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器技術(shù)扮演著越來(lái)越重要的角色。本課程要求學(xué)生了解并掌握傳感器的基本概念、特性、信息之間的轉(zhuǎn)換原理和處理方法，以及傳感器在實(shí)際工程中的應(yīng)用等。

要使得學(xué)生快速且牢固地掌握傳感器的相關(guān)知識(shí)及應(yīng)用方法，傳感器實(shí)驗(yàn)課程在整個(gè)教學(xué)當(dāng)中起到了非常重要的作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生可以更加直觀地了解到傳感器的工作原理和工作場(chǎng)景。但是隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展以及實(shí)際工程中對(duì)傳感器要求的不斷提高，傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)課程暴露出來(lái)一系列的問(wèn)題，如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊單一、實(shí)驗(yàn)步驟死板、學(xué)生自身參與度不高、實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后且更新?lián)Q代困難等。學(xué)生一般是在按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)完成實(shí)驗(yàn)步驟之后，再將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填寫(xiě)到固定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，甚至有的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程根本不感興趣，只是簡(jiǎn)單地抄襲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后即上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種情況下，不要說(shuō)提高學(xué)生的創(chuàng)造力，就是知識(shí)的基本掌握也難以實(shí)現(xiàn)，3個(gè)小時(shí)的硬件實(shí)驗(yàn)效果很差，這不能真正提高學(xué)生的能力[1]。

近年來(lái)，虛擬儀器技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)有大量高校將之引進(jìn)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，在傳感器實(shí)驗(yàn)課程中也是有著較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用。通過(guò)硬件與軟件的有機(jī)結(jié)合，虛擬儀器技術(shù)使得學(xué)生既可以使用課程中已有的儀器，還可以通過(guò)圖形化編程語(yǔ)言自己定義出全新的儀器甚至實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生參與度大大提高，有助于提高學(xué)生的興趣和對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。除了上述優(yōu)點(diǎn)，虛擬儀器還為學(xué)校節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)開(kāi)支，并且可以根據(jù)具體的教學(xué)要求更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1 虛擬儀器相關(guān)技術(shù)

1.1 虛擬儀器

虛擬儀器一般由硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)組成，其中硬件平臺(tái)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，軟件平臺(tái)則主要負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理以及現(xiàn)實(shí)結(jié)果。通過(guò)在軟件上的操作就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制，并且可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)軟件進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。虛擬儀器可以通過(guò)相同的硬件系統(tǒng)，通過(guò)不同的軟件獲得功能完全不同的各種測(cè)量測(cè)試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器[2]。

1.2 圖形化編程語(yǔ)言

虛擬儀器的軟件系統(tǒng)需要一種適合的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)其分析處理數(shù)據(jù)以及顯示結(jié)果的功能，目前使用較為廣泛的是美國(guó)NI公司推出的圖形化編程語(yǔ)言：LabVIEW。不同于傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言，用戶在使用LabVIEW時(shí)，可以直接使用代表各種儀器、組件、按鈕等的圖標(biāo)來(lái)進(jìn)行程序的編寫(xiě)，使得用戶能夠非常直觀地觀察到自己所設(shè)計(jì)的電路，并且軟件中內(nèi)置的各種函數(shù)，可以輕松地實(shí)現(xiàn)我們所需要的數(shù)據(jù)分析處理等功能。它可以在最基本的硬件支持下，根據(jù)測(cè)試需要，編制不同的軟件功能模塊實(shí)現(xiàn)各種實(shí)際的機(jī)械工程測(cè)試任務(wù)，并且具有很好的擴(kuò)展性和性價(jià)比[3]。

2 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式相比具有諸多的優(yōu)勢(shì)，主要集中在以下幾點(diǎn)：

1）使用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以根據(jù)傳感器技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際教學(xué)的需求，通過(guò)軟件編程的方式更新和設(shè)計(jì)所需要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使用相同的硬件平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)各種不同的測(cè)試功能，而無(wú)需購(gòu)買和更換新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

2）虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，大大縮減了取得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過(guò)程，且因?yàn)槭怯捎?jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。而且通過(guò)軟件平臺(tái)就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加清晰易懂，有助于學(xué)生快速理解傳感器相關(guān)原理，且更具有趣味性，能夠激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情。

3）虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行控制，在互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，我們可以在網(wǎng)絡(luò)上方便地與他人實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的交流和共享，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)不再僅僅被局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。

3 虛擬儀器在傳感器實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用

這里以光敏電阻實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說(shuō)明。

光敏電阻實(shí)驗(yàn)是傳感器實(shí)驗(yàn)課程中較為基礎(chǔ)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以比較容易地學(xué)會(huì)，而且有助于學(xué)生對(duì)于傳感器原理以及相應(yīng)傳感器應(yīng)用電路的理解。在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變光敏電阻所暴露環(huán)境的照度

可以通過(guò)軟件界面讀出光敏電阻阻值隨著照度的變化。

實(shí)驗(yàn)步驟：1）在硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上將所需的實(shí)驗(yàn)元件安裝完畢；2）改變發(fā)光二極管的數(shù)量，從而改變光在光敏電阻上的照度，繼而引起光敏電阻阻值的變化；3）在軟件界面上觀察光敏電阻阻值隨照度發(fā)生的變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：隨著照度的增加，光敏電阻的阻值呈下降趨勢(shì)，從而引起分壓電路中光敏電阻兩端電壓值的改變，在軟件界面中顯示一條與照度變化成反比的線性電壓直線。實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單易懂，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式不同，虛擬儀器技術(shù)采用了軟件和硬件相結(jié)合方式，硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。這種方法不僅簡(jiǎn)化和節(jié)省了大量的硬件，而且數(shù)據(jù)處理速度更快，處理效果更好，試驗(yàn)結(jié)果顯示也十分生動(dòng)形象，有利于加深學(xué)生對(duì)傳感器相關(guān)知識(shí)的理解和激發(fā)學(xué)生對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)課程的興趣。虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)方式方法創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，更提供給學(xué)生自己根據(jù)需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的可能，只要使用相應(yīng)的語(yǔ)言進(jìn)行編程，就可以利用現(xiàn)有的硬件完成各種不同的實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)實(shí)踐中取得的結(jié)果顯示，基于虛擬儀器的傳感器實(shí)驗(yàn)很好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生了積極性，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，并且激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和興趣，教學(xué)效果良好，具有很高的研究推廣價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張向文.傳感器原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革的探討[J].科技資訊，2007（27）：150-151.

[2]柴曉飛.基于并行交替式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的虛擬示波器研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]劉君華，等.虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW教程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.