基于創(chuàng)新能力建設(shè)的虛擬仿真電阻式傳感器設(shè)計(jì)＊

王升升

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

0 引言

傳感器技術(shù)是人類(lèi)探索未知世界、自然現(xiàn)象及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的科研工具，通過(guò)傳感器可以采集大量有價(jià)值的信息。傳感器是將被測(cè)量的信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件，在檢測(cè)和轉(zhuǎn)化電量過(guò)程中的工作原理較難認(rèn)知。同時(shí)傳感器涉及較多的電路、電子等方面知識(shí)，以往的教學(xué)形式多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，很少能夠?qū)鞲衅鲀?nèi)部進(jìn)行深入的探究。筆者以培養(yǎng)高職學(xué)生工程創(chuàng)新能力為目的，利用EDA軟件Multisim，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)虛擬仿真電阻式傳感器。

1 設(shè)計(jì)思路

傳感器在人類(lèi)研究工業(yè)控制中有著不可替代的作用。幾乎每一個(gè)實(shí)踐工程項(xiàng)目中，都需要借助各種類(lèi)型的傳感器來(lái)獲取有重要價(jià)值的信息。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度、壓力檢測(cè)是一項(xiàng)非常重要的控制指標(biāo)，溫度、壓力傳感器是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的檢測(cè)儀表，通過(guò)溫度、壓力敏感元件將感受到的溫度、壓力信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

由于本身溫度、壓力傳感器的組成以及工作機(jī)理復(fù)雜，較難理解，且在高等職業(yè)教育中，傳統(tǒng)課程理論教學(xué)不能很形象地對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。結(jié)合高等職業(yè)教育特點(diǎn)，可利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通過(guò)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新等形式提出虛擬仿真電阻式傳感器設(shè)計(jì)方案。

1）利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)預(yù)習(xí)電阻式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)等；

2）提出技術(shù)要求，進(jìn)行溫度、壓力傳感器總體設(shè)計(jì)；

3）利用EDA軟件Multisim進(jìn)行溫度/電壓、壓力/電壓、氣體/電壓電路的設(shè)計(jì)、測(cè)試和分析。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的自主預(yù)習(xí)、技術(shù)創(chuàng)新等方式，進(jìn)行電阻式傳感器項(xiàng)目設(shè)計(jì)，能夠全面地向?qū)W生展示電阻式傳感器的工作原理、轉(zhuǎn)換電路及最終的仿真結(jié)果，體現(xiàn)“學(xué)做一體化”的課程教學(xué)理念。通過(guò)此項(xiàng)目能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新熱情，提升學(xué)生實(shí)際工程的實(shí)踐能力，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生就業(yè)職業(yè)技能的目的。

2 溫度傳感器設(shè)計(jì)

提出技術(shù)要求：電阻式溫度傳感器采用鉑熱電阻作為溫度敏感元件，測(cè)量溫度在-50℃～50℃范圍變化時(shí)，輸出直流電壓-5 V～5 V。

2.1 溫度/電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)[1]

溫度檢測(cè)過(guò)程中用鉑熱電阻（Pt100）作為檢測(cè)元件，鉑熱電阻的分度表如表1所示。從分度表中可知，鉑熱電阻與溫度變化的關(guān)系為每變化1℃約對(duì)應(yīng)0.391Ω，按照技術(shù)要求在溫度-50℃～50℃范圍變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的鉑熱電阻的阻值80.31Ω～119.40 Ω。

表1 鉑熱電阻（Pt100）分度表

溫度/電壓轉(zhuǎn)換電路利用電阻組成橋式電路，如圖1所示。電阻橋式電路中鉑電阻為R4+R5，在分度表的定義中，當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，鉑熱電阻的阻值為100 Ω。此時(shí)的R3電阻的阻值為100 Ω。按照技術(shù)要求，橋式電路的電流要在0.1 mA以下，電源電壓E1為12 V。

圖1 溫度傳感器仿真電路

2.2 放大電路

放大電路使用運(yùn)放LF353及電阻R6～R11，采用這種典型的測(cè)量放大器可以對(duì)輸入阻抗高、零點(diǎn)漂移等現(xiàn)象具有很好的相互抵消特點(diǎn)。放大電路分為2級(jí)，第1級(jí)放大電路放大倍數(shù)為101，第2級(jí)放大電路放大倍數(shù)為25.5。

2.3 仿真結(jié)果

在溫度傳感器仿真電路中，電壓表M1～M4用來(lái)測(cè)量各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的電壓。通過(guò)電阻溫度傳感器的工作原理可知，M4電壓表的度數(shù)放大十倍即為溫度的實(shí)際值，通過(guò)電位器R5的調(diào)整可以得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示[2]。

表2 溫度傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ℃

3 壓力傳感器設(shè)計(jì)

提出技術(shù)要求：電阻式壓力傳感器采用硅膜片作為壓力敏感元件，測(cè)量壓力在0 g～1500 g范圍變化時(shí)，輸出直流電壓0 V～1.5 V。

3.1 壓力/電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)[3]

硅膜片電阻加工工藝較復(fù)雜，利用微細(xì)加工工藝在硅片上制成硅膜片，同時(shí)在硅膜片上利用離子注入加入4個(gè)對(duì)臂電阻并組成電橋。其工作原理為當(dāng)硅膜片受到外力作用時(shí)，膜片產(chǎn)生彈性形變，使電橋中的一個(gè)對(duì)臂電阻的阻值變大，另一個(gè)對(duì)臂電阻的阻值變小，電橋失去平衡[4-5]。技術(shù)要求測(cè)量壓力在0 g～1500 g范圍變化時(shí)，對(duì)臂電阻的阻值增大變化量為50.00 kΩ～50.75 kΩ，對(duì)臂電阻的阻值減小變化量為49.25 kΩ～50.00 kΩ，靈敏度為0.5 Ω/g。利用4個(gè)等效電阻R1～R4組成壓力/電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。當(dāng)按動(dòng)R鍵時(shí)，對(duì)臂電阻R1、R3阻值增加，對(duì)臂電阻R2、R4阻值減小，其輸出電壓為：

式中，VCC=10 V，通過(guò)R1～R4取值范圍調(diào)整，可以分析出當(dāng)外界壓力在0 g～1500 g范圍變化時(shí)，輸出電壓U01=0m V～150 mV。

圖2 壓力傳感器仿真電路

3.2 放大電路、校零電路設(shè)計(jì)

放大電路共分兩級(jí)，其中運(yùn)放由U1A、U1B、U1C和R5～R11組成，兩級(jí)放大電路中第一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)Au1=10，第二級(jí)放大電路放大倍數(shù)為Au2=1，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后電壓放大后輸出范圍為：0.000 V～1.500 V。

校零電路的組成為運(yùn)放U1D和電阻R12～R14，當(dāng)電阻R0=50 Ω時(shí)，如果電壓Uo不為零時(shí)，調(diào)試電阻R13進(jìn)行校正[6]。

3.3 仿真結(jié)果

如壓力傳感器仿真電路中所示，各個(gè)測(cè)試點(diǎn)中的電壓利用萬(wàn)用表XMM1-XMM4進(jìn)行測(cè)量，在檢測(cè)過(guò)程中萬(wàn)用表XMM4的實(shí)測(cè)值即為壓力檢測(cè)值。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R0即可得到表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 壓力傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)2種適合虛擬仿真?zhèn)鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有的項(xiàng)目化教學(xué)做了有益的嘗試。通過(guò)典型教學(xué)案例和虛擬仿真電阻傳感器的結(jié)合，既能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，又能對(duì)實(shí)際的傳感器技術(shù)有更深層次的理解，促進(jìn)工科高職學(xué)生綜合能力的成長(zhǎng)，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力有很大幫助。既可以鍛煉學(xué)生，又能夠提升教師的教書(shū)育人能力。