虛擬仿真技術在“傳感器技術及應用”教學中的應用

封居強，聶文艷

（淮南師范學院機械與電氣工程學院，安徽淮南232000）

傳感器技術及應用是自動化系統、物聯網與信息領域等發展的源泉和基石[1]，是電子信息類課程的專業基礎課，也是學生畢業后在工作中經常用到的一門技術，具有很強的應用性，是整個大學課程體系中的核心課程。傳感器與檢測技術是信息獲取的關鍵，是信息社會的基礎[2]。

傳感器技術及應用是以大學物理、電路分析基礎、模擬電子技術信號與系統等課程為背景[3]，著重分析各類傳感器的基本特性、工作原理及測量電路，根據典型應用進一步闡述參考檢測、微弱信號檢測、數據融合、測量不確定度與回歸分析等核心問題。著重培養學生對基本理論、基本方法的掌握和典型傳感器的應用，使學生能夠獨立、合理的選用常用電子儀器、設計測量電路，且能夠對測量結果進行誤差分析和數據處理，突出動手能力的培養。然而，學生動手能力的強弱除了先天因素外，在學校期間的相關訓練是決定其能力水平的主要因素。因此，涉及學生能力培養的實踐教學就顯得越來越重要[4]。

1 目前教學現狀

學習能力是大學生的核心能力之一。傳統教學模式下,由于時間、空間及教學內容的限制,學生的學習能力培養無法有效實現[5]。根據傳感器技術及應用課程的人才培養目標，針對傳統的培養方式存在的問題主要表現為以下三個方面：

（1）教師難教、學生難學。傳感器技術及應用涉及到的知識面較廣，以物理定律或物質的物理、化學或生物特性為研究對象，進行微弱信號的采集、轉換和處理。單獨通過理論分析壓阻效應、電磁感應效應、光電效應等物性對于普通高校學生難以接受。對于僅有電路分析基礎的同學，二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調制電路、不確定測量與回歸分析都難易接受。同時教師又無法將大學物理、電路分析、信號分析等前期課程進行詳細的闡述，導致教師難教、學生難學的現象普遍存在。

（2）看不到、摸不著。傳統的實驗室設備都是以實驗項目為基礎，將傳感器、測量電路、分析電路進行全模塊化封裝處理。在實驗過程中，只需要在完好的儀器設備上按照實驗要求進行連線，通過液晶屏或數碼管得到實驗結果。另外實驗結果錯誤時，無法判斷那一具體環節出現了問題，學生將實驗失敗統一歸納為設備問題，無法達到考核學生對傳感器技術、檢測技術、誤差分析和數據處理等理論知識和技能。

（3）理論與實踐不統一。理論教學環節中存在的問題恰恰是解決實驗理論性分析的依據，理論基礎不牢，實驗就無法有效的開展。而實驗中存在的“看不到、摸不著”的問題，恰恰影響到了理論在實驗中的應用。獨立的問題導致了理論教學環節和實踐教學環節的脫節，從而無法達到理論與實踐相統一、突出能力的培養目標。

針對現狀，桂秋靜[6]提出了將理論課程教學與LabVIEW軟件技術結合的方法，實現了實驗室教學與工業實際應用接軌；王元月[7]提出采用Multisim和LabVIEW聯合仿真軟件，針對高職院校的傳感器課程作為輔助教學，改進學生學習方式、提高學生學習效率；張蓬等[8]利用LabVIEW軟件輔助《檢測與傳感》教學，幫助學生直觀的理解抽象的信號描述和采樣定理等原理。本文提出的虛擬仿真教學平臺是針對于本科傳感器技術及應用教程，不是輔助教學工具，是一套完整的課程教學平臺，實現了傳感器技術及應用、虛擬儀器技術和數字電子課程設計等多課程的融合，能夠實現應用型大學關于傳感器技術與應用課程的培養目標。

2 虛擬仿真技術

準確的講，虛擬仿真技術應包括虛擬儀器技術和軟件仿真技術。通過Multisim仿真軟件分析設計測量電路，LabVIEW虛擬儀器圖形化開發環境開發虛擬儀器實現數據分析和結果呈現。

2.1 虛擬儀器

虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是虛擬儀器技術在儀器儀表領域的一個重要應用，是現代計算機和儀器技術深層次結合的產物，是計算機輔助檢測領域的重要技術。以微機為核心的硬件平臺為基礎，通過LabView編程軟件實現用戶自定義設計具有虛擬面板的一種計算機測試儀器系統[9]，其構成框圖如圖1所示。

圖1 虛擬儀器的構成框圖

2.2 Multisim電路仿真軟件

Multisim電路仿真軟件可以進行電路原理圖的設計、繪制，是具有強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、數電的復雜電路虛擬仿真方面，Multisim具有形象化的、極其真實的虛擬儀器，界面設計和內在功能強大，并有與之配套的制版軟件NI Ultiboard10進行電路設計到制板的一條龍服務[11]，也可以與配套的虛擬儀器圖形化編程軟件Lab View進行虛擬儀器的設計。

3 虛擬仿真技術在教學中的應用

鉑熱電阻在氧化性介質中，甚至在高溫下，其物理和化學性能穩定，電阻率較高，精度高，適合在-259～630℃溫度范圍內進行精確測量。但由于價格較高，現有的實驗設備無法完成該實驗。因此本文采用虛擬仿真技術實現傳感器技術及應用理論和實驗教學。

3.1 鉑熱電阻的工作原理

鉑熱電阻作為一種溫度測量傳感器，它是利用導體的電阻值隨溫度的變化而變化的物理特性來實現溫度的測量。在0～850攝氏度范圍內公式如式（1）所示。

在-200～0℃范圍內公式如式（2）所示。

3.2 傳感器模型的建立

在0～850℃情況下，采用公式（1）的數學模型進行實驗測試。其中0℃時，常用的鉑熱電阻電阻值R0＝10或100。本設計中采用的R0＝100，將所有參數帶入公式可得數學模型如公式（3）。

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

圖2 鉑熱電阻傳感器模型

3.3 測量電路的組成與設計

測量電路的組成主要包括穩壓模塊、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。四個模塊的設計集中體現了模擬電子技術基礎和電路原理分析課程的知識點。

（1）穩壓模塊：為整體系統提供基準電壓。采用穩壓二極管D1，通過輸出端接電壓跟隨器提高輸入阻抗、降低輸出阻抗，最終實現穩定輸出電壓的目的。

圖3 系統測量電路

（2）基本放大電路：由于鉑電阻測量溫度過程中采用單臂橋電路，會引入一定的非線性誤差，為了避免電橋引入的非線性誤差，該設計采用基本放大電路測溫，其設計如圖3所示。

根據模擬電子技術基礎課程中的微變等效電路分析法可知圖3滿足數學表達式（4）.

（3）矯正模塊：由于傳感器模型中的二次項系數較小，導致存在一定的非線性誤差。通過運算放大器U3和電阻R8、R9和R15組成的反相比例放大電路引入負反饋，同時通過Rw2可調節電阻引入電流并聯負反饋，通過該模塊實現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，調節Rw3的阻值可以實現輸出電壓范圍的控制。

3.4 綜合電路仿真

通過穩壓環節分析可知，R1上的電流與穩壓二極管基本相同，且不受負載電阻的影響，在穩壓范圍內穩定輸出10V。由鉑電阻溫度特性分析可知，當溫度為0℃，Rw1兩端電壓值約為63.1K時，輸出電壓為0V，以此實現調零功能。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溫度變化，從0～100℃范圍開始掃描，每隔5℃記錄一次數據，得到的實驗數據如表1所示。

表1 虛擬仿真實驗數據

采用《傳感器技術及應用》課程第十八章中的最小二乘法進行多項式擬合得公式（5）.

所以可得公式（6）

3.5 LabVIEW的虛擬儀器設計

根據公式（3）和多項式求解方法可求溫度t隨Rt變化的規律，如公式（7）所示。

根據公式（6）和公式（7）建立VI分析系統程序圖如圖4所示。

圖4 虛擬仿真系統VI程序圖

通過時域信號采集器，將Multisim中的電壓波形提取，作為VI程序的輸入信號，Rt作為中間變量輸出，溫度t為最終測量結果輸出。打開Multisim中仿真電路圖，在LabVIEW儀器菜單中選擇導入VI模塊，調節鉑電阻模式電壓為0.26v，測量結果為44.47℃，運行界面圖如圖5所示。

圖5 虛擬仿真運行結果

4 總結

本文實現了基于虛擬仿真技術在傳感器技術及應用教學過程中的創新，針對鉑熱電阻傳感器為例，通過Multisim電路設計分析，調用自定義LabVIEW虛擬儀器完成數據的獲取和分析進行虛擬仿真實驗。仿真實驗設計過程中涉及到基本原理、基本特性和設計方法，突出實驗的綜合設計和應用能力；實驗和數據分析過程中充分體現理論教學環節的重要性，使得理論與實踐相對統一、相互補償，大大促進了學生的學習和動手能力的培養。同時彌補實驗教學中場地不足、設備落后的問題，提高了學生的學習積極性和教學質量。