基于虚拟仪器技术的传感器课程实验 实验平台：NI USB-6009\USB-6001\USB-6002\USB-6003

NI USB-6009传感器课程实验系列视频教程——应用指南

TLA-系列传感器课程实验套件是依托虚拟仪器技术开发部署实现的， 依托虚拟仪器技术开展的课内实验不仅适用传感器课程，也适用工程教育相关工科主干课程：如：电路原理、模拟电子电路、数字电子电路、信号与系统、自动控制原理等课程实验。这些相关课程，TLA均提供完整的实验室应用解决方案。

仪器的使用、实验套件的使用、实验软件的操作。 TLA系列课程实验套件可以完整提供满足上述三方面要求的具体实验内容。 TLA-004/U6传感器课程实验套件在虚拟仪器硬件选择方面具有更大的宽容度，它支持NI廉价系列B系列的USB数据采集卡，如：USB-6009，USB-6001、USB-6002、USB-6003等型号。

NI USB-6009是一款适合行业培训、教育教学应用的USB接口的数据采集卡，它具备模拟信号输入与输出、数字信号输入与输出、计数器功能，驱动方面原生支持NI DAQmx。是具备多功能数据采集的能力且极具性价比的型号。 NI USB-6009可以提供8通道单端方式的模拟信号输入或者4通道差分方式的模拟信号输入，2通道单端方式的模拟信号输出，13通道的数字信号输入与输出，1通道的计数器功能。 更进一步，TLA课程实验套件板卡、NI USB-600x数据采集卡、实验软件DAQware 3者结合，能够提供双通道示波器，双通道函数信号发生器，双通道可编程电源，波特图仪等与具体实验内容相关的实验分析仪器功能。 上述仪器功能都是基于虚拟仪器技术实现的，与LabVIEW开发环境绑定。在DAQWare中可以直接使用。也提供标准api接口函数供编程二次开发。

在它的左上角是连接NI USB-600x数据采集卡的接口。 将USB-6009数据采集卡LOGO丝印面朝上放置，USB接口朝左侧放置。 将USB-6009下边的接口插入TLA-004U6板卡底座左上角的接口，完成USB-6009与TLA-004U6传感器实验套件板卡的连接。

现在画面中看到的是TLA-004/U6传感器课程实验套件已经连接了USB-6009数据采集卡。 接下来找到包装中的双Type C线和Type C口电源适配器。 将双Type C线的任意一端插头插入套件板卡中上部的外侧的Type C插座。 再将双C线的另一端插头插入Type C口的电源适配器。 把Type C口电源适配器插入市电插座。 开启市电电源插座开关。

这3路直流稳压电源电压分别为+5V，+12V和-12V。他们的接线端子位于电源指示灯右侧的面包板。通过导线可以将所需的电源连接到具体的实验电路。 2路可编程电源的接线端位于电源指示灯的左侧，即实验套件板卡的第5个面包板。接线端分别标注为VPS 0和VPS 1，使用过程中需要结合实验软件DAQWare 设置电压输出。 2路可编程电源的直流电压输出范围分别为0+10V和0-10V。每个通道的电流驱动能力最大为200mA。

取出包装中的USB数据线，一头是TypeA型扁口，一头是Type B型方口。 先将方口一端插入USB-6009左侧的Type B型USB插座。 再将另一端Type A型扁口的USB插头插入计算机的USB插座。 完成数据采集卡与计算机的连接。 当计算机已经提前安装了相应的驱动程序，我们将看到USB接口旁的绿色LED会持续闪烁，表示数据采集卡与计算机连接正常。 现在画面中看到的是TLA-004U6传感器课程实验套件板卡已经和NI USB-6009数据采集卡连接，将实验仪器和实验套件板卡融为一体。前面的内容中提到的NI USB-600x系列采集卡具有的模拟输入、模拟输出通道IO已经全部引出到实验套件板卡左上部的3个面包板区域。这3个面包板从左往右数，从第2个开始，到第4个结束。

第2个面包板关联2个模拟信号输出通道AO 0和AO 1， 第3个面包板和第4个面包板总共关联8个模拟信号输入通道。 TLA-004U6传感器课程实验套件的模拟信号输入通道约定使用差分方式连接。因此模拟输入通道也默认以差分连接方式标注，便于使用时辨识。第3个面包板标注为AI 0+AI 0-和AI 1+AI 1-。第4个面包板标注为AI 2+AI 2-和AI 3+AI 3-。 好了，到这里，我们将TLA-004U6传感器课程实验套件板卡与USB-600x系列数据采集卡结合在一起讲解了整个实验仪器以及相关仪器功能关联的通道、接线端的分布情况。

实验套件板卡可以看到划分为矩形的方块区域。分别编号为1#、2#、一直到13#模块，分别对应的传感器实验的电路模块。 TLA-004U6传感器课程实验套件板卡设计了丰富的能覆盖基本光电传感器、多种温度传感器、应变、磁电、声音、相对湿度等传感器特性测量以及构成基础测控系统所需的实验应用环境。

板卡左上角，有两个3.5mm立体声音频接口，用于音频信号的输入与输出，并且与第1个面包板端子关联，实现音频信号无缝链接、采集与数据处理。 1#模块是用于5种基本光电传感器特性测量的实验模块。 这5种基本光电传感器分别是：光敏电阻、硅光电池、光电二极管、光电三极管、PIN光电二极管。 实验模块提供了满足5种基本光电传感器特性实验所需的测量电路以及高照度光源和配套的光源控制电路。 实验过程中结合实验软件DAQWare for NI DAQmx，轻松实现完整的基本光电传感器特性实验过程控制。 2#模块是几种用于传感器信号调理电路的放大器模块。 TLA-004U6传感器课程实验套件提供了增益可设置的同相放大器，反相放大器，全差分放大器以及电压跟随器，学生可以灵活将放大器应用于传感器信号调理。 此外还提供可设置直流偏置的传感器螺栓接线端子。 人体热释电红外线传感器与反相放大器组合，可以构成符合人体热释电红外线传感器特性需求的信号调理电路。 实验过程中结合实验软件DAQWare for NI DAQmx，帮助学生掌握人体热释电红外线传感器的工作原理及工作特点。 结合LabVIEW编程，能够完整参与该传感器实验的完整过程。 3#模块和4#模块是用于直流电机转速测量的实验模块。 其中，3#模块是基于槽型光耦的直流电机转速测量实验模块。4#模块是基于霍尔IC的直流电机转速测量模块。槽型光耦是光电传感器的一种，霍尔IC是一种磁电传感器。 这两个实验模块共用一个直流电机，为转速测量实验提供的转速信号。 3#模块和4#模块为直流电机转速测量实验提供了2种传感器测量转速的方案，有助于学生理解使用不同传感器测量电机转速的原理，以及相关的调理电路知识。 除了测量直流电机转速外，3#模块和4#模块在LabVIEW PID工具包的助力下，可以实现两种传感器对电机旋转时的速度控制。 结合LabVIEW编程，学生能够完整参与直流电机转速测量与PID速度控制实验的完整过程。 5#、8#、9#，10#模块是多种温度传感器温度测量实验的模块。 先来看5#模块，用于热敏电阻温度传感器的温度测量实验模块。 热敏电阻温度测量实验，使用的是负温度系数热敏电阻。结合板载的加热及风冷装置，可以实现基于负温度系数的热敏电阻温度测量与温度PID控制实验。 结合LabVIEW编程，学生能够完整参与热敏电阻和铂电阻实现的温度测量及PID温度控制实验的完整过程。 9#模块，是集成温度传感器AD592的温度测量实验模块。AD592是常用的高精度集成温度传感器之一，AD592的输出电流与卡尔文温度成线性正比关系。 结合板载的加热及风冷装置，可以实现基于AD592温度测量及温度PID控制实验。 结合LabVIEW编程，学生能够完整参与AD592集成温度传感器的温度测量及PID温度控制实验的完整过程。 10#模块，是集成温度传感器LM35的温度测量实验模块。LM35是常用的高精度集成温度传感器之一，与AD592的区别在于，LM35的输出电压与摄氏温度成线性正比关系。 结合板载的加热及风冷装置，可以实现基于LM35的温度测量及温度PID控制实验。 结合LabVIEW编程，学生能够完整参与LM35集成温度传感器的温度测量及PID温度控制实验的完整过程。 8#模块，是实验套件板载的加热及风冷散热装置，是保证温控实验的关键。 除了上面介绍的几种温度传感器外，TLA-004U6传感器课程实验套件还支持热电偶测温。热电偶具有测温范围宽，价格低廉的特点，是工业中应用较多的温度传感器之一。将2-4模块和9#模块联合使用，就可以开展热电偶温度传感器的温度测量实验。 2-4模块是差分放大器模块，该模块为全差分放大器。提供3种可设置的放大倍数，满足微弱信号高增益放大的需求。 此外，2-4模块的全差分放大器还专门设置了前置滤波器设计，可与热电偶温度传感器无缝连接，确保热电偶的温度测量时信号调理的可靠。 热电偶的冷端补偿是热电偶温度测量中不可获取的技术环节。TLA-004U6传感器课程实验套件提供了高精度的集成温度传感器，可以作为热电偶测温所需的冷端补偿之用。 结合板载的加热及风冷装置以及开放的LabVIEW编程环境，学生能够完整参与热电偶温度传感器的温度测量及PID温度控制实验的整个过程。 12#模块，是桥式调理电路模块，该模块提供了满足应变测量所需的电桥结构电路。通过配置设置，可以灵活实现全桥、半桥、1/4桥结构。 更为特色的，TLA-004传感器实验套件，提供了板载的双孔悬臂梁结构，位于11#模块。 该结构提供与工业称重传感器应用相同的悬臂梁结构，内置4片相同规格的应变栅，并且提供完整8线制的连线。实验时与电桥结构灵活组合，满足各种应变测量实验的需求。 套件还提供称重砝码，结合实验软件DAQWare for NI DAQmx，完整实现金属箔式应变片特性实验测量数据的验证。 6#模块，是无源滤波器模块，用于传感器的信号调理。结合实际测量实验中出现的噪声，合理使用滤波器，可以达到优化调理电路的信号质量的目的。 TLA-004传感器课程实验套件板卡的中上部，还有一个面包板区域。该区域用于自定义搭建板载传感器以外的传感器模块、单片机或嵌入式最小系统，如：驻极体麦克风声音采集模块，相对湿度测量模块，继电器模块，Aruduino开发板，SMT32最小系统板，FPGA最小系统板等。 有了可自定义传感器模块的加持，结合实验软件DAQWare for NI DAQmx，可以拓宽学生实验的视野，丰富TLA004传感器实验套件的应用领域。 到这里，我们详细的介绍了基于虚拟仪器技术开发部署实现的TLA-004传感器课程实验套件所涉及的实验仪器、实验套件。