劉崇科　祝忠明

【摘 要】傳感器實驗課程是信息類專業(yè)學(xué)生所必須學(xué)習(xí)和掌握的一門重要課程。傳統(tǒng)的傳感器實驗課程中存在實驗內(nèi)容和步驟固定、學(xué)生參與度不高、設(shè)備更新?lián)Q代困難等問題。在本文中，使用以LabVIEW為基礎(chǔ)的實驗軟件，結(jié)合泛華恒興公司的nextboard教學(xué)實驗平臺，介紹和討論了基于虛擬儀器的傳感器實驗教學(xué)方法。實踐表明，該方法使得實驗內(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)代測控技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器技術(shù)扮演著越來越重要的角色。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)知識及應(yīng)用方法，傳感器實驗課程在整個教學(xué)當(dāng)中起到了非常重要的作用。通過實驗課程，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景。但是隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展以及實際工程中對傳感器要求的不斷提高，傳統(tǒng)的傳感器實驗課程暴露出來一系列的問題，如實驗內(nèi)容陳舊單一、實驗步驟死板、學(xué)生自身參與度不高、實驗設(shè)備落后且更新?lián)Q代困難等。學(xué)生一般是在按照實驗指導(dǎo)完成實驗步驟之后，再將實驗數(shù)據(jù)填寫到固定的實驗報告中，甚至有的學(xué)生對實驗課程根本不感興趣，只是簡單地抄襲實驗數(shù)據(jù)后即上交實驗報告。這種情況下，不要說提高學(xué)生的創(chuàng)造力，就是知識的基本掌握也難以實現(xiàn)，3個小時的硬件實驗效果很差，這不能真正提高學(xué)生的能力[1]。

近年來，虛擬儀器技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)有大量高校將之引進到了實驗教學(xué)當(dāng)中，在傳感器實驗課程中也是有著較長時間的應(yīng)用。通過硬件與軟件的有機結(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，還可以通過圖形化編程語言自己定義出全新的儀器甚至實驗，使得學(xué)生參與度大大提高，有助于提高學(xué)生的興趣和對相關(guān)知識的掌握。除了上述優(yōu)點，虛擬儀器還為學(xué)校節(jié)省了大量實驗開支，并且可以根據(jù)具體的教學(xué)要求更新實驗內(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和軟件系統(tǒng)組成，其中硬件平臺主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，軟件平臺則主要負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理以及現(xiàn)實結(jié)果。通過在軟件上的操作就可以實現(xiàn)對硬件的控制，并且可以根據(jù)實際需要對軟件進行修改，從而實現(xiàn)各種不同的功能。虛擬儀器可以通過相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件獲得功能完全不同的各種測量測試儀器，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 圖形化編程語言

虛擬儀器的軟件系統(tǒng)需要一種適合的編程語言來實現(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NI公司推出的圖形化編程語言：LabVIEW。不同于傳統(tǒng)的編程語言，用戶在使用LabVIEW時，可以直接使用代表各種儀器、組件、按鈕等的圖標(biāo)來進行程序的編寫，使得用戶能夠非常直觀地觀察到自己所設(shè)計的電路，并且軟件中內(nèi)置的各種函數(shù)，可以輕松地實現(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)測試需要，編制不同的軟件功能模塊實現(xiàn)各種實際的機械工程測試任務(wù)，并且具有很好的擴展性和性價比[3]。

2 虛擬儀器實驗教學(xué)平臺的優(yōu)勢

虛擬儀器實驗教學(xué)平臺與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式相比具有諸多的優(yōu)勢，主要集中在以下幾點：

1）使用虛擬儀器實驗平臺，可以根據(jù)傳感器技術(shù)的發(fā)展和實際教學(xué)的需求，通過軟件編程的方式更新和設(shè)計所需要的實驗內(nèi)容，使用相同的硬件平臺就可以實現(xiàn)各種不同的測試功能，而無需購買和更換新的實驗設(shè)備。

2）虛擬儀器實驗平臺通過軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，大大縮減了取得實驗結(jié)果的過程，且因為是由計算機處理數(shù)據(jù)，保證了實驗結(jié)果的穩(wěn)定性。而且通過軟件平臺就可以進行實驗結(jié)果的顯示，使得實驗結(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)生的實驗熱情。

3）虛擬儀器實驗平臺通過軟件對實驗平臺進行控制，在互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，我們可以在網(wǎng)絡(luò)上方便地與他人實現(xiàn)實驗相關(guān)數(shù)據(jù)的交流和共享，學(xué)生的實驗課程學(xué)習(xí)不再僅僅被局限在實驗室內(nèi)。

3 虛擬儀器在傳感器實驗課程中的應(yīng)用

這里以光敏電阻實驗為例進行說明。

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

可以通過軟件界面讀出光敏電阻阻值隨著照度的變化。

實驗步驟：1）在硬件實驗平臺上將所需的實驗元件安裝完畢；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。

實驗結(jié)論：隨著照度的增加，光敏電阻的阻值呈下降趨勢，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。實驗過程簡單易懂，實驗結(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)的實驗方式不同，虛擬儀器技術(shù)采用了軟件和硬件相結(jié)合方式，硬件進行數(shù)據(jù)采集，軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理。這種方法不僅簡化和節(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，試驗結(jié)果顯示也十分生動形象，有利于加深學(xué)生對傳感器相關(guān)知識的理解和激發(fā)學(xué)生對傳感器實驗課程的興趣。虛擬儀器技術(shù)在實驗方式方法創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，更提供給學(xué)生自己根據(jù)需要改進實驗的可能，只要使用相應(yīng)的語言進行編程，就可以利用現(xiàn)有的硬件完成各種不同的實驗。在教學(xué)實踐中取得的結(jié)果顯示，基于虛擬儀器的傳感器實驗很好地調(diào)動了學(xué)生了積極性，鍛煉了學(xué)生的動手能力，并且激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和興趣，教學(xué)效果良好，具有很高的研究推廣價值。

【參考文獻】

[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言LabVIEW教程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.