传感器课程教学中模拟仿真的应用

刘德国 黄成玉

（华北科技学院电子信息工程学院，中国 北京101601）

0 前言

传感器课程是自动监测技术、电子等专业的一门必修课程，该课程牵涉到物理、化学以及材料、电路等多方面的知识，内容显得有所零乱而不利于学生系统地掌握。而该课程又需要学生具有一定的动手实践能力，通过实验验证有关的传感器的工作原理和工作特性。在课堂教学中做实验，必然耗费较多的时间。为了解决这一问题，利用电路仿很软件可以很好的实现理论和实践的结合。目前常用的电路仿真软件有multisim和proteus等软件[1]。在传感器教学过程中，适当的利用这些软件可以避免抽象的理论和概念，克服了“黑板+粉笔”的枯燥性，课堂教学可以收到形象、直观、生动、活泼的效果。

1 理论和仿真相结合的过程

在传感器课程教学过程中，可以根据所讲授的内容引入multisim软件模拟和仿真的功能，进行理论和模拟仿真的结合。如对于电容压力传感器。常常采用双T型电桥电路测量差动传感器的电容[2-3]。如图1所示。

该电路中，C1和C2为差动式电容压力传感器的一对电容，e为对称方波的信号源，RL为测量仪表的内阻，D1和D2为性能相同的两个二极管，R1=R2为固定电阻。该电路可以从电路理论上电容的充放电过程分析RL两端的电压随C1，C2的变化情况，为此做简单的理论分析：

当电源正半周时，可以求得流过RL的电流为：

当电源负半周时，可以求得流过RL的电流为：

由此可以求得电流的平均值，进而求出流过RL的电压的平均值为：

图2 multisim仿真差动式电容压力传感器

仿真电路用一个信号发生器发出的方波信号代替交流电源，图中的示波器用来观察信号发生器发出的波形。实验中，信号发生器发出的是占空比为50%的方波，频率为100Hz。通过改变电容C1，C2的差值可以看出电压表的变化情况。通过模拟测量可以得到如下表1所示电压的变化情况：

表1 差动式电容压力传感器测量电压和差动电容差值

通过仿真得到的实验数据，可以很容易的看出差动电容传感器的两个电容变化差值与引起测量电压的变化成正比，仿真演示结果和理论相符合。

通过这一仿真过程，学生对双T型电桥测量电路和差动电容式传感器的结构和工作原理有了清晰而深刻的认识。因此，在实际做实验的时候，可以很容易地独立完成实验电路的搭建，收到事半功倍的效果。

2 结论

由此我们可以看出，利用软件的模拟仿真功能，验证了理论推导的结果，使抽象的、繁琐的传感器理论变成具体的、可以观察到的电路，学生增加了学习的兴趣，加深了对知识的理解，又克服了不能把实验室搬到课堂上的缺点。因此在传感器教学中根据课程内容的特点引入必要的仿真，可以收到较好的教学效果。

［1］薛鹏骞,梁秀荣.电子设计自动化技术实用教程[M].中国矿业大学出版社,2007,2.

［2］何道清,张禾,谌海云.传感器与传感器技术[M].科学出版社,2008,6.

［3］张雪文,张志勇.传感器原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2004,3.