虛擬測控實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析

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摘要：針對目前測控實(shí)驗(yàn)教學(xué)以單一課程、插拔式、驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)為主等相關(guān)測控實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)知識特點(diǎn)，安排適宜的實(shí)驗(yàn)，因材施教。圍繞“多學(xué)科綜合、緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用”原則，本文提出了基于LabVIEW虛擬儀器的測控實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，把傳感器技術(shù)和運(yùn)動控制結(jié)合在一個平臺上。

關(guān)鍵詞：傳感器；虛擬儀器；教學(xué)方式；多學(xué)科綜合

0前言

測試測量與控制技術(shù)，簡稱測控，簡短的兩個字包含了從信號的獲取、放大、傳輸、處理、應(yīng)用和控制的全過程。測控技術(shù)涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，如計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號分析與處理、工程測試技術(shù)等。測控技術(shù)系列課程教學(xué)改革的重要目標(biāo)之一就是將傳統(tǒng)的“老師為主體的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”改為“學(xué)生為主體的結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計、分析實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健保攸c(diǎn)培養(yǎng)提出問題、研究問題、解決問題的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的人才。整個實(shí)驗(yàn)包括從基礎(chǔ)的計算機(jī)系統(tǒng)、傳感器信號獲取、信號分析和處理，到反饋控制的一體化整體解決方案。虛擬儀器（virtualinstrumention）是一種圖形化編程語言，被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，在測量和自動化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法產(chǎn)生了很大影響，虛擬儀器的應(yīng)用越來越廣泛，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)是虛擬儀器應(yīng)用的不斷拓展和教育教學(xué)發(fā)展的必然要求，本文以虛擬儀器為開發(fā)環(huán)境，構(gòu)建了基于運(yùn)動控制的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

1基于LabVIEW的測控實(shí)驗(yàn)建設(shè)思路

由于微電子、計算機(jī)、軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使新的測試?yán)碚?、測試方法以及儀器結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展成熟，基于LabVIEW虛擬儀器的測控技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐步形成新的發(fā)展趨勢，以計算機(jī)為核心，由強(qiáng)大的測試應(yīng)用軟件支持，具有模塊化、互換性、資源復(fù)用性，同時可方便、經(jīng)濟(jì)地組建自動測試系統(tǒng)，測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn)：

（1）個性化的功能儀器：本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用虛擬儀器將各種不同的儀器硬件連接到計算機(jī)上，運(yùn)用計算機(jī)高速的軟硬件資源，將計算機(jī)硬件和測量儀器等硬件資源與計算機(jī)軟件資源有機(jī)結(jié)合起來完成特定的功能，利用該技術(shù)，可替代傳統(tǒng)測量儀器，如頻譜儀、示波器等。

（2）多學(xué)科技術(shù)交叉融合：測控技術(shù)是多學(xué)科技術(shù)交叉融合的典型技術(shù)，信息論、控制論、系統(tǒng)論是測控專業(yè)的理論基礎(chǔ)，信息技術(shù)、測控技術(shù)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是測控專業(yè)的基本技術(shù)，多學(xué)科交叉與多系統(tǒng)集成是測控專業(yè)的顯著特點(diǎn)。

（3）緊密聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生興趣,隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展需要，測控技術(shù)從最初的控制單個設(shè)備到控制整個過程及系統(tǒng)，特別是在當(dāng)今現(xiàn)代科技領(lǐng)域的尖端技術(shù)中，測控技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。

（4）內(nèi)容上由簡到難、循序漸進(jìn)：按照“基礎(chǔ)原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)”的思路來逐步提高學(xué)生學(xué)習(xí)動手能力，讓學(xué)生從原理到實(shí)際應(yīng)用來逐步學(xué)習(xí)和認(rèn)識，最后有機(jī)會進(jìn)行創(chuàng)造性的綜合實(shí)驗(yàn)。

（5）便于擴(kuò)展：虛擬儀器的軟硬件系統(tǒng)可以方便進(jìn)行重新組合和設(shè)計，靈活運(yùn)用。就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件升級即可改進(jìn)整個系統(tǒng)。在利用最新技術(shù)的時候，把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備中，最終以極少的成本改進(jìn)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

2虛擬測控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體內(nèi)容

整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括虛擬儀器軟件和測控系統(tǒng)硬件。虛擬儀器采用LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，具有界面友好、易于掌握、編程靈活、設(shè)計效率高等優(yōu)點(diǎn)，硬件平臺包括數(shù)據(jù)采集卡、各類實(shí)驗(yàn)用傳感器、信號調(diào)理電路及各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材。傳感器的輸出信號由數(shù)據(jù)采集卡采集，經(jīng)由信號調(diào)理電路對信號進(jìn)行放大和濾波，使其與數(shù)據(jù)采集卡中的A/D轉(zhuǎn)換器相匹配并提供足夠的驅(qū)動。另外，還包含驅(qū)動控制模塊、電機(jī)，工業(yè)對象等，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用不同的工業(yè)模組，仿真工業(yè)測試環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生掌握測試測量和電機(jī)控制的實(shí)驗(yàn)技能，讓學(xué)生在自由創(chuàng)新的空間形成正確的、科學(xué)的思想，測控系統(tǒng)總體框。測控對象可以是運(yùn)動機(jī)械對象，如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，可以是運(yùn)動對象的位移、速度、加速度等參量，也可以是過程參數(shù)，傳感器是檢測裝置，能感受被測量的信息，是自動檢測和控制的首要環(huán)節(jié)，將待測參數(shù)值按一定規(guī)律變換成為電信號或其他信號輸出；調(diào)理電路就是信息處理電路，將待測信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號，以便數(shù)據(jù)采集卡或控制器接收，這部分既可作為傳感器原理的一部分，也可作為信號處理的一部分；分析主要指采用LabVIEW提供的豐富的函數(shù)庫，將數(shù)據(jù)采集到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，對其進(jìn)行分析、處理；顯示采用虛擬儀器圖形化的軟件面板替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板，同樣具有實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件。

3實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計

3.1運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)采用TS-ICD-5A智能控制器，被控對象為1000線的伺服電機(jī)。開始實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生必須仔細(xì)閱讀智能控制與驅(qū)動模塊軟硬件說明書，掌握電機(jī)控制線和電源線與控制器的連接方式，模擬量、數(shù)字量怎么接入控制器，驅(qū)動器的設(shè)置、運(yùn)動編程、實(shí)際物理單位和以編碼器表示的內(nèi)部編程的計算機(jī)單位的轉(zhuǎn)換、存儲器映射等相關(guān)知識點(diǎn)，工程文件配置包含電機(jī)參數(shù)、編碼器線數(shù)、控制模式以及相應(yīng)控制參數(shù)信息，然后使用LabVIEW調(diào)用智能控制與數(shù)字伺服驅(qū)動模塊動態(tài)鏈接庫，可以檢測各類電機(jī)參數(shù)，發(fā)送電機(jī)運(yùn)動控制指令，讀取編碼器、I/O通道、AD通道的反饋，輕松實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)控制以及相關(guān)信號檢測，編制LabVIEW程序，圖2所示的運(yùn)動控制虛擬面板為簡單的電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)前面板。

3.2傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計

以測控電路原理實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器仿真實(shí)驗(yàn)為主，結(jié)合理論知識，讓學(xué)生自己動手搭建相對應(yīng)的儀器與電路，使其扎實(shí)地掌握測控系統(tǒng)中涉及的基礎(chǔ)知識點(diǎn)，以模塊化工業(yè)對象為載體，設(shè)計了光電開關(guān)傳感器、電渦流傳感器、振動加速度傳感器、振動速度傳感器、磁電傳感器等各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器實(shí)驗(yàn)。圖3顯示了本實(shí)驗(yàn)?zāi)K提供的一種磁電轉(zhuǎn)速傳感器測量原理。傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，將工程測試與傳感器、信號與系統(tǒng)、虛擬儀器等課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際。

3.3綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計

在掌握以上的知識后，教師對現(xiàn)有對象提出新的設(shè)計思路或要求，讓學(xué)生重新設(shè)計或改裝實(shí)驗(yàn)對象，得到期望的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，學(xué)生可以整合運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)和傳感器實(shí)驗(yàn)的對象開發(fā)綜合測控對象。鍛煉三個方面的能力。（1）學(xué)習(xí)運(yùn)動控制原理，伺服電機(jī)的調(diào)速特性，運(yùn)動控制卡的接線，電機(jī)的各種參數(shù)設(shè)置，運(yùn)動模式。（2）學(xué)習(xí)各種傳感器的基本原理，實(shí)用范圍，以及在各種測試條件下不同傳感器的選型方法。（3）學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)采集的相關(guān)知識，包含硬件連線和軟件采集。

4結(jié)束語

測控實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)是由相關(guān)的傳感器、測量儀器和測試裝置有機(jī)結(jié)合而獲得有用信息，并實(shí)施控制。測控實(shí)驗(yàn)采用LabVIEW作為測量軟件，將硬件可靠性與LabVIEW軟件的通用、高效性相結(jié)合，方便組合各種不同的虛擬儀器測量平臺，不僅可降低實(shí)驗(yàn)儀器費(fèi)用，達(dá)到資源的充分利用，而且激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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作者：李孝茹 劉建國 單位：上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院