虛擬仿真技術(shù)在“傳感器技術(shù)及應(yīng)用”教學(xué)中的應(yīng)用

封居強(qiáng)，聶文艷

（淮南師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽淮南232000）

傳感器技術(shù)及應(yīng)用是自動(dòng)化系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)與信息領(lǐng)域等發(fā)展的源泉和基石[1]，是電子信息類(lèi)課程的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是學(xué)生畢業(yè)后在工作中經(jīng)常用到的一門(mén)技術(shù)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，是整個(gè)大學(xué)課程體系中的核心課程。傳感器與檢測(cè)技術(shù)是信息獲取的關(guān)鍵，是信息社會(huì)的基礎(chǔ)[2]。

傳感器技術(shù)及應(yīng)用是以大學(xué)物理、電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)信號(hào)與系統(tǒng)等課程為背景[3]，著重分析各類(lèi)傳感器的基本特性、工作原理及測(cè)量電路，根據(jù)典型應(yīng)用進(jìn)一步闡述參考檢測(cè)、微弱信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)融合、測(cè)量不確定度與回歸分析等核心問(wèn)題。著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基本理論、基本方法的掌握和典型傳感器的應(yīng)用，使學(xué)生能夠獨(dú)立、合理的選用常用電子儀器、設(shè)計(jì)測(cè)量電路，且能夠?qū)y(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析和數(shù)據(jù)處理，突出動(dòng)手能力的培養(yǎng)。然而，學(xué)生動(dòng)手能力的強(qiáng)弱除了先天因素外，在學(xué)校期間的相關(guān)訓(xùn)練是決定其能力水平的主要因素。因此，涉及學(xué)生能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)就顯得越來(lái)越重要[4]。

1 目前教學(xué)現(xiàn)狀

學(xué)習(xí)能力是大學(xué)生的核心能力之一。傳統(tǒng)教學(xué)模式下,由于時(shí)間、空間及教學(xué)內(nèi)容的限制,學(xué)生的學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)[5]。根據(jù)傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程的人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)傳統(tǒng)的培養(yǎng)方式存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)為以下三個(gè)方面：

（1）教師難教、學(xué)生難學(xué)。傳感器技術(shù)及應(yīng)用涉及到的知識(shí)面較廣，以物理定律或物質(zhì)的物理、化學(xué)或生物特性為研究對(duì)象，進(jìn)行微弱信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和處理。單獨(dú)通過(guò)理論分析壓阻效應(yīng)、電磁感應(yīng)效應(yīng)、光電效應(yīng)等物性對(duì)于普通高校學(xué)生難以接受。對(duì)于僅有電路分析基礎(chǔ)的同學(xué)，二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路、不確定測(cè)量與回歸分析都難易接受。同時(shí)教師又無(wú)法將大學(xué)物理、電路分析、信號(hào)分析等前期課程進(jìn)行詳細(xì)的闡述，導(dǎo)致教師難教、學(xué)生難學(xué)的現(xiàn)象普遍存在。

（2）看不到、摸不著。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備都是以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，將傳感器、測(cè)量電路、分析電路進(jìn)行全模塊化封裝處理。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，只需要在完好的儀器設(shè)備上按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行連線，通過(guò)液晶屏或數(shù)碼管得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另外實(shí)驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤時(shí)，無(wú)法判斷那一具體環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)失敗統(tǒng)一歸納為設(shè)備問(wèn)題，無(wú)法達(dá)到考核學(xué)生對(duì)傳感器技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、誤差分析和數(shù)據(jù)處理等理論知識(shí)和技能。

（3）理論與實(shí)踐不統(tǒng)一。理論教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題恰恰是解決實(shí)驗(yàn)理論性分析的依據(jù)，理論基礎(chǔ)不牢，實(shí)驗(yàn)就無(wú)法有效的開(kāi)展。而實(shí)驗(yàn)中存在的“看不到、摸不著”的問(wèn)題，恰恰影響到了理論在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。獨(dú)立的問(wèn)題導(dǎo)致了理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的脫節(jié)，從而無(wú)法達(dá)到理論與實(shí)踐相統(tǒng)一、突出能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

針對(duì)現(xiàn)狀，桂秋靜[6]提出了將理論課程教學(xué)與LabVIEW軟件技術(shù)結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與工業(yè)實(shí)際應(yīng)用接軌；王元月[7]提出采用Multisim和LabVIEW聯(lián)合仿真軟件，針對(duì)高職院校的傳感器課程作為輔助教學(xué)，改進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率；張蓬等[8]利用LabVIEW軟件輔助《檢測(cè)與傳感》教學(xué)，幫助學(xué)生直觀的理解抽象的信號(hào)描述和采樣定理等原理。本文提出的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)是針對(duì)于本科傳感器技術(shù)及應(yīng)用教程，不是輔助教學(xué)工具，是一套完整的課程教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了傳感器技術(shù)及應(yīng)用、虛擬儀器技術(shù)和數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)等多課程的融合，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用型大學(xué)關(guān)于傳感器技術(shù)與應(yīng)用課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

2 虛擬仿真技術(shù)

準(zhǔn)確的講，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)包括虛擬儀器技術(shù)和軟件仿真技術(shù)。通過(guò)Multisim仿真軟件分析設(shè)計(jì)測(cè)量電路，LabVIEW虛擬儀器圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)虛擬儀器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和結(jié)果呈現(xiàn)。

2.1 虛擬儀器

虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是虛擬儀器技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)領(lǐng)域的重要技術(shù)。以微機(jī)為核心的硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)LabView編程軟件實(shí)現(xiàn)用戶(hù)自定義設(shè)計(jì)具有虛擬面板的一種計(jì)算機(jī)測(cè)試儀器系統(tǒng)[9]，其構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 虛擬儀器的構(gòu)成框圖

2.2 Multisim電路仿真軟件

Multisim電路仿真軟件可以進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)、繪制，是具有強(qiáng)大的仿真能力與電路分析能力的一款電路分析軟件[10]。與Tina、Proteus、Cadence、Matlab仿真工具包Simulink等電路仿真軟件相比，在模電、數(shù)電的復(fù)雜電路虛擬仿真方面，Multisim具有形象化的、極其真實(shí)的虛擬儀器，界面設(shè)計(jì)和內(nèi)在功能強(qiáng)大，并有與之配套的制版軟件NI Ultiboard10進(jìn)行電路設(shè)計(jì)到制板的一條龍服務(wù)[11]，也可以與配套的虛擬儀器圖形化編程軟件Lab View進(jìn)行虛擬儀器的設(shè)計(jì)。

3 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

鉑熱電阻在氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫下，其物理和化學(xué)性能穩(wěn)定，電阻率較高，精度高，適合在-259～630℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)量。但由于價(jià)格較高，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法完成該實(shí)驗(yàn)。因此本文采用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器技術(shù)及應(yīng)用理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.1 鉑熱電阻的工作原理

鉑熱電阻作為一種溫度測(cè)量傳感器，它是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的物理特性來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。在0～850攝氏度范圍內(nèi)公式如式（1）所示。

在-200～0℃范圍內(nèi)公式如式（2）所示。

3.2 傳感器模型的建立

在0～850℃情況下，采用公式（1）的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。其中0℃時(shí)，常用的鉑熱電阻電阻值R0＝10或100。本設(shè)計(jì)中采用的R0＝100，將所有參數(shù)帶入公式可得數(shù)學(xué)模型如公式（3）。

根據(jù)公式（3）可知溫度與鉑熱電阻的關(guān)系，建立仿真電路模型如圖2所示。以電壓 V1表示環(huán)境溫度t，壓控多項(xiàng)式函數(shù)模塊模擬公式（3）。由鉑熱電阻的工作原理可知，輸出值加一個(gè)為1的比例系數(shù)即可得到溫度值的變化。

圖2 鉑熱電阻傳感器模型

3.3 測(cè)量電路的組成與設(shè)計(jì)

測(cè)量電路的組成主要包括穩(wěn)壓模塊、基本放大模塊、矯正模塊和電路輸出模塊，其整體電路如圖3所示。四個(gè)模塊的設(shè)計(jì)集中體現(xiàn)了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和電路原理分析課程的知識(shí)點(diǎn)。

（1）穩(wěn)壓模塊：為整體系統(tǒng)提供基準(zhǔn)電壓。采用穩(wěn)壓二極管D1，通過(guò)輸出端接電壓跟隨器提高輸入阻抗、降低輸出阻抗，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓的目的。

圖3 系統(tǒng)測(cè)量電路

（2）基本放大電路：由于鉑電阻測(cè)量溫度過(guò)程中采用單臂橋電路，會(huì)引入一定的非線性誤差，為了避免電橋引入的非線性誤差，該設(shè)計(jì)采用基本放大電路測(cè)溫，其設(shè)計(jì)如圖3所示。

根據(jù)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中的微變等效電路分析法可知圖3滿(mǎn)足數(shù)學(xué)表達(dá)式（4）.

（3）矯正模塊：由于傳感器模型中的二次項(xiàng)系數(shù)較小，導(dǎo)致存在一定的非線性誤差。通過(guò)運(yùn)算放大器U3和電阻R8、R9和R15組成的反相比例放大電路引入負(fù)反饋，同時(shí)通過(guò)Rw2可調(diào)節(jié)電阻引入電流并聯(lián)負(fù)反饋，通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)電路輸出線性度的矯正和改善。

（4）電路輸出模塊：為了保證較高的靈敏度，總體電路中加入了反相比例放大電路，調(diào)節(jié)Rw3的阻值可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓范圍的控制。

3.4 綜合電路仿真

通過(guò)穩(wěn)壓環(huán)節(jié)分析可知，R1上的電流與穩(wěn)壓二極管基本相同，且不受負(fù)載電阻的影響，在穩(wěn)壓范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出10V。由鉑電阻溫度特性分析可知，當(dāng)溫度為0℃，Rw1兩端電壓值約為63.1K時(shí)，輸出電壓為0V，以此實(shí)現(xiàn)調(diào)零功能。在Multisim中，改變模擬溫度的電壓源V1，虛擬儀器的輸出電壓隨著相對(duì)溫度變化，從0～100℃范圍開(kāi)始掃描，每隔5℃記錄一次數(shù)據(jù)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》課程第十八章中的最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得公式（5）.

所以可得公式（6）

3.5 LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)

根據(jù)公式（3）和多項(xiàng)式求解方法可求溫度t隨Rt變化的規(guī)律，如公式（7）所示。

根據(jù)公式（6）和公式（7）建立VI分析系統(tǒng)程序圖如圖4所示。

圖4 虛擬仿真系統(tǒng)VI程序圖

通過(guò)時(shí)域信號(hào)采集器，將Multisim中的電壓波形提取，作為VI程序的輸入信號(hào)，Rt作為中間變量輸出，溫度t為最終測(cè)量結(jié)果輸出。打開(kāi)Multisim中仿真電路圖，在LabVIEW儀器菜單中選擇導(dǎo)入VI模塊，調(diào)節(jié)鉑電阻模式電壓為0.26v，測(cè)量結(jié)果為44.47℃，運(yùn)行界面圖如圖5所示。

圖5 虛擬仿真運(yùn)行結(jié)果

4 總結(jié)

本文實(shí)現(xiàn)了基于虛擬仿真技術(shù)在傳感器技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)過(guò)程中的創(chuàng)新，針對(duì)鉑熱電阻傳感器為例，通過(guò)Multisim電路設(shè)計(jì)分析，調(diào)用自定義LabVIEW虛擬儀器完成數(shù)據(jù)的獲取和分析進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到基本原理、基本特性和設(shè)計(jì)方法，突出實(shí)驗(yàn)的綜合設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力；實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析過(guò)程中充分體現(xiàn)理論教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性，使得理論與實(shí)踐相對(duì)統(tǒng)一、相互補(bǔ)償，大大促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力的培養(yǎng)。同時(shí)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中場(chǎng)地不足、設(shè)備落后的問(wèn)題，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)質(zhì)量。