傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)與虛擬儀器系統(tǒng)開展傳感器課程實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

李勇偉　張靚靚　張婧婧

摘要：傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)常用于顯示測(cè)量的物理量，而虛擬儀器系統(tǒng)不僅能夠測(cè)量信號(hào)，還可以擴(kuò)展為測(cè)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)傳感器虛擬儀器旨在開展測(cè)控課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過與實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)。結(jié)果表明，在靈敏度指標(biāo)差異不大的情況下，虛擬儀器系統(tǒng)線性度優(yōu)于傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái);虛擬儀器;線性度;靈敏度

中圖分類號(hào)：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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

與傳統(tǒng)工科相比，“新工科”強(qiáng)調(diào)工科實(shí)用性、交叉性與綜合性[1]。傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)為課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)[2]的專業(yè)課程提供理論教學(xué)內(nèi)容驗(yàn)證，也能幫助學(xué)生在《傳感器技術(shù)》《測(cè)控技術(shù)》等實(shí)驗(yàn)課程中理解和掌握測(cè)試系統(tǒng)的組成。農(nóng)業(yè)高校工科專業(yè)以新工科、新農(nóng)科建設(shè)為契機(jī)，開展基于學(xué)科交叉融合背景下[3]，傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)難以達(dá)到面向新工科的工程實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)綜合設(shè)計(jì)能力訓(xùn)練的要求[4]。結(jié)合傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)與課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)[5，6]，既可以完成工科類各專業(yè)的傳感器課程實(shí)驗(yàn)、虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)，為教師的教學(xué)研究和學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目提供平臺(tái)，還可以滿足師生面向工程實(shí)踐的項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)的需求[7]。

由于傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)操作中涉及檢測(cè)技術(shù)、被測(cè)信號(hào)獲取、信號(hào)調(diào)理以及顯示等技術(shù)[8]，實(shí)現(xiàn)各技術(shù)環(huán)節(jié)的元器件都會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。通過改進(jìn)調(diào)理電路使傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的線性度與靈敏度指標(biāo)得到一定改善[9]，然而7位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣與顯示一體芯片[10]影響了系統(tǒng)性能。利用高速與高精度數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)虛擬儀器可以提高測(cè)試系統(tǒng)性能[11]，還能通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果[12]。學(xué)生在傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)與虛擬儀器系統(tǒng)分別完成課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比較兩者的測(cè)量數(shù)據(jù)并分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)。通過實(shí)驗(yàn)過程的比較，學(xué)生能夠更好地認(rèn)識(shí)檢測(cè)系統(tǒng)組成的各個(gè)環(huán)節(jié)的作用，并初步分析對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)性能指標(biāo)產(chǎn)生影響的可能因素。

2 測(cè)控類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)工科類課程體系中通常使用傳感器開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程包括《傳感器技術(shù)》《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》《測(cè)控技術(shù)》。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通常包括：金屬箔應(yīng)變片測(cè)重、霍爾傳感器測(cè)速、電渦流位移測(cè)量、壓電式傳感器振動(dòng)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生先在實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并記錄數(shù)據(jù)，然后使用虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行同步實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過將實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)輸入虛擬儀器用戶界面，應(yīng)用數(shù)據(jù)擬合與最小二乘算法，分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)與虛擬儀器的系統(tǒng)性能指標(biāo)。

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)者在SET2000傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)連接傳感器、實(shí)驗(yàn)板、實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源與顯示儀表后，將調(diào)理電路調(diào)諧好并對(duì)傳感器輸出調(diào)零，然后逐步加載并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)傳感器在加載前調(diào)零過程中，由于電磁干擾或數(shù)顯表采樣芯片的誤差，數(shù)顯表讀數(shù)總是在零點(diǎn)波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中每次讀數(shù)時(shí)，數(shù)顯表的數(shù)據(jù)也總存在波動(dòng)，實(shí)際中采用讀取穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，如圖1所示。

2.2 虛擬儀器系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（1） 虛擬儀器組成

虛擬儀器系統(tǒng)由傳感器、實(shí)驗(yàn)板、采集卡與運(yùn)行虛擬儀器程序的計(jì)算機(jī)組成，采用美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）采樣速率1.25 MSS-1的16位分辨率數(shù)據(jù)采集卡USB6253，系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)選用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW2013版。

實(shí)驗(yàn)者操作的用戶界面包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、通道配置、定時(shí)采樣、數(shù)據(jù)記錄、比較分析五個(gè)部分，其中比較分析包括表格對(duì)比與曲線比較兩種形式。用戶界面如圖2所示，物理通道選項(xiàng)從連接的采集設(shè)備選擇接線通道，信號(hào)端配置選用差分方式。

選定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，最大值與最小值用于限定該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目輸入信號(hào)的幅值，偏置調(diào)節(jié)用于系統(tǒng)調(diào)零，讀數(shù)暫?？丶糜谥鸫巫x取傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性能分析用于比較兩種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)。

（2） 虛擬儀器減小誤差設(shè)計(jì)

用采集卡將調(diào)理電路輸出顯示在虛擬儀器系統(tǒng)，可以采用偏置補(bǔ)償與讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)平均的方法分別減少調(diào)零環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)讀數(shù)估讀偏差。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)取平均值作為偏置值用于減少傳感器與調(diào)理電路的零點(diǎn)誤差。每次循環(huán)將讀取的數(shù)據(jù)求和并取平均值作為測(cè)量數(shù)據(jù)，可以減少數(shù)據(jù)波動(dòng)對(duì)讀數(shù)的影響。

3 傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)與虛擬儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

3.1 擬合曲線比較兩種試驗(yàn)方法獲取的數(shù)據(jù)

傳感器課程實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^測(cè)取數(shù)據(jù)使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)裝置使用方法及評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的衡量指標(biāo)。Labview最小二乘法擬合分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)讀取數(shù)據(jù)，并與虛擬儀器測(cè)量數(shù)據(jù)比較，可以獲取兩種測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度與線性度指標(biāo)。點(diǎn)擊系統(tǒng)性能分析中實(shí)驗(yàn)臺(tái)性能與虛擬儀器性能控件，可以得到兩種測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)與擬合曲線。

3.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)分析

由圖4可知，傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)與虛擬儀器傳感器系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)比較接近，從擬合的曲線難以觀察兩種系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，因此依據(jù)靈敏度與線性度的確定方法，通過程序框圖實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器用戶界面可以看到實(shí)驗(yàn)臺(tái)靈敏度與線性度分別為0.7335、0.0048，虛擬儀器相應(yīng)參數(shù)為0.7393、0.00252。

4 結(jié)論

針對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)擴(kuò)展性較弱的問題，設(shè)計(jì)傳感器虛擬儀器系統(tǒng)為師生測(cè)控項(xiàng)目的研究設(shè)計(jì)提供開發(fā)平臺(tái)。通過分析兩者性能并針對(duì)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)量數(shù)據(jù)表明：

1） 實(shí)驗(yàn)臺(tái)與虛擬儀器系統(tǒng)靈敏度比較接近，說明測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度由傳感器決定。

2） 虛擬儀器系統(tǒng)與傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)相比，線性度從0.48%提高到0.25%，說明采樣精度與方法對(duì)系統(tǒng)線性度的測(cè)量具有一定影響。

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【通聯(lián)編輯：梁書】