MuItisim和LabVIEW联合仿真在高职传感器课程教学中的应用研究

王元月

（绍兴职业技术学院机电工程学院，浙江绍兴， 312000）

MuItisim和LabVIEW联合仿真在高职传感器课程教学中的应用研究

王元月

（绍兴职业技术学院机电工程学院，浙江绍兴， 312000）

我院应用电子技术、工业机器人技术等专业都开设了传感器课程，该课程主要介绍各类传感器的基本原理及典型应用。随着仿真技术的发展，传感器教学中也引入了仿真技术辅助教学以提高教学效果，但是目前用于电子电路仿真软件中的传感器模型较少，很难实现传感器技术的信息化教学。针对这一情况，提出了采用Multisim和LabVIEW联合仿真来进行传感器的教学以提高教学质量，完成教学目标。Multisim和LabVIEW的引入进一步完善项目教学法，改进了学生学习方式提高学生学习效率，并且有利于学生创新能力的培养，值得推广。

传感器教学；仿真技术；联合仿真；Multisim；LabVIEW

0 引言

人类用五官感知各种信息，而智能机器依靠的是传感器，它通过传感器把信息转换为便于处理的信号，然后再对其进行分析处理。传感器是实现自动检测以及自动控制的关键环节，如果没有传感器将被测的原始信号进行捕捉、采集和转换，则无法完成自动化检测和控制[1-2]。高校自动检测、自动化、电子、物联网等专业都开设了传感器课程，该课程主要介绍各类传感器的基本原理和典型应用。随着仿真技术的发展，传感器教学中也引入了仿真技术辅助教学以提高教学效果，但是目前用于电子电路仿真软件中传感器模型较少，很难实现传感器技术的信息化教学。针对这一情况，提出了采用Multisim和LabVIEW联合仿真来进行传感器的教学提高教学质量，完成教学目标。

1 基于电阻应变片的压力传感器仿真设计

电阻应变片是一种利用应变效应把应变变化转化成电阻值变化的传感器，它广泛用于工程测量和科学实验中的应变力、扭矩、加速度、压力等非电量的测量。在传感器教学中，通过电子秤项目让学生了解应变效应，掌握电阻应变片的原理、测量电路及应用。通过对电阻应变片的原理分析，在multisim中建立仿真模型，在LabVIEW中建立重量显示界面，并将该界面导入到multisim中进行仿真操作。

1.1电阻应变片模型建立

图1 电阻应变片仿真模型

图2 电阻应变片构成的半桥单臂电路仿真

图3 电阻应变片构成的全桥电路仿真

虚线框内的压控电阻来模拟应变片在受力的作用下产生的电阻值变化量∆R ，电源电压V理解为重物的质量m，单位是kg，如果将电源反接则表示受力相反。

1.2测量电路

将电阻应变片粘贴到构件上，应变片电阻将随构建应变而改变，通常将应变片接入直流电桥电路的桥臂，将电阻的变化转换成电压的变化。把直流电桥中的其中一个桥臂用电阻应变片仿真模型代替组成半桥单臂电桥，仿真电路如图2所示，电路中设置了电位器用作调零，使得输入为零时即没有力的作用下，输出∆U也为零。半桥单臂仿真电路中，重物质量10g时输出电压为149.991uV，符合理论分析结果。为了提高电桥电路的输出电压灵敏度，将直流电桥的四个桥臂都采用电阻应变片仿真模型构成全桥电路，仿真电路如图3所示，10g输出电压为600uV。从仿真结果中，当采用全桥电路时，输出电压是半桥单臂电桥的4倍， 即输出电压灵敏度提高了4倍。

图4 测量电路仿真

全桥电路将应变变化转换成电压的变化，输出电压较小要经过放大处理，放大电路需要较强的共模抑制比，电路由四个运放构成，A1和A2组成电压跟随器，而A3组成差动放大器，A4构成反相比例放大电路，测量电路仿真如图4所示。满量程（500g）输入时电桥输出是30mV，经过放大器后输出约为3V，可以配合后续的模数转换器ADC。

1.3显示仪表

Multisim仿真软件中没有合适的虚拟仪器能够显示称重的结果，因此需要在LabVIEW中设计符合这一仿真称重电路的虚拟显示模块。首先在Multisim仿真电路中对设计好的测量电路进行仿真得到一组实验数据。根据数据运算及推导得到所需要的重量与输出电压的数学关系式，然后就可以进行称重装置的显示模块的设计。表1是由仿真实验数据，包括电阻变化量ΔR和输出电压Uo及其相对应的要仿真的重物质量m。从实验数据中可以得出结论：力的变化与输入电压的变化是成正比的，而且是线性关系。Y=kx，Y为输出电压，x为重量，系数k=6.17。

表1 检测电路实验数据

在LabVIEW中设计前面板并进行相应程序框图的绘制，将设计好的LabWIEW导入至Multisim仿真软件中，仿真结果如图5所示。

图5 称重显示界面

2 联合仿真在教学中的应用

2.1改进学生学习方式提高学习效率

在传感器教学中根据传感器的工作原理设计了相应的传感器仿真模型，例如力传感器金属应变片的仿真模型，温度传感器铂电阻以及热电偶的仿真模型，霍尔传感器的仿真模型等。学生在Multisim仿真平台上制作传感器模型，自行设计传感器测量电路，将传感器接入后续的调理电路，然后使用平台提供的测量仪器或者使用LabVIEW设计的虚拟仪器对电路进行测试。学生通过对传感器仿真模型的建立，测量电路的设计制作以及对电路的仿真测试操作，这一系列的学习过程使学生对传感器的工作原理和性能有了深刻的认识，掌握了传感器的测量电路，信号的处理以及传感器的应用。传感器教学过程中采用Multisim和LabVIEW联合仿真改进了学生的学习方式，从而促进了学生的有效学习。

2.2进一步完善项目教学法

我院应用电子技术专业的传感器课程采用项目化式教学，将教学内容融入项目中，引导学生项目的实施和项目的完成。传感器教学内容分为六个项目项，目中的每个任务主要分为确定任务、制定计划、进行决策、实施任务、检查评估五个步骤。引入multsim和LabVIEW联合仿真后，学生设计的电路可以先用multsim和LabVIEW进行检测，如有问题修改电路直至电路仿真运行成功，这样使得学生的任务完成情况和自我评价变得直观。学生将设计的电路仿真成功后再实施电路的实物制作，这就提高了学生制作电路的成功率，从而也帮助学生树立了自信心，学生自信心增强了对学习的兴趣也提高了，进入了一个良性的循环，对项目的完成有很大的促进作用。例如，在实施盐欲炉温度的检测的任务时，首先让学生对测温传感器热电偶进行原理分析，在Multisim仿真软件中建立仿真模型，其次将传感器的输出接入后续的测量电路进行仿真调试，在调试过程中使用各种虚拟仪器对电路进行检测，根据检测结果修改调整电路参数确定项目方案，最后再制作实际电路。

2.3有利于培养学生创新能力

创新是真正意义上的超越，学会开放性思维、学会创新是当代大学生应该学会的一种能力[3]。现在的大学生从小学、中学到高中大多是被动接受老师机械的灌输，很少会有自己独立思考的空间，这就限制了学的创新性思维，阻碍创新能力的发展。在传感器教学中引入Multisim和LabVIEW联合仿真，学生可以使用LabVIEW设计个性化的显示模板，这不仅使学生进一步的掌握传感器信号的处理，同时也培养了学生的创新能力。学生也可以使用LabVIEW采集卡采集真实传感器的信号，并把这些信号保存起来作为Multisim电路的输入激励信号，输入信号源可由学生自行设计，学生根据自己的喜好设计具有个人特色的面板，学生的想象空间得以充分的发挥，想象是创造的翅膀，让学生在学习过程中最大限度的发挥自己的想象力，从而培养学生的创新能力。

3 结论

它可帮助学生在整个工程和理论课程学习过程中轻松掌握电子电路以及电力电子的基本概念、电路原理、电路设计以及调试的方法，而LabVIEW可以构建虚拟仪器以替代实际的仪器完成电测试、测量及显示任务。将Multisim和LabVIEW联合仿真的引入传感器教学进一步完善项目教学法，改进了学生学习方式提高学生学习效率，同时有利于学生创新能力的培养。

[1]韦青燕,张天宏.基于Multisim的恒压型热线风速测量系统电路仿真分析[J].传感技术学报,2015,28（4）:462-468.

[2]徐洋,胡向东,郭鹏.基于虚拟仪器的传感器课程设计建设[J].仪器仪表学报2008,29（8）:585-587.

[3]赵岩,李新殿,包海鹰. 大学生创新能力的制约因素分析与对策研究[J].黑龙江教育学院学报,2016（1）:16-18.

图1 振动测试实验系统

实验系统如上图所示，由电动机、压电式加速度传感器、电荷放大器、NI数据采集卡、笔记本电脑等组成。

2.2.1 压电式加速度传感器

压电式加速度传感器由压电材料以及敏感元件构成，其特性为遭受外力后会在表面产生电荷。

2.2.2 电荷放大器

本实验系统采用KD5018型双积分电荷放大器，可以将输入的电荷量转换为相应的电压量进行输出。该型电荷放大器与压电式加速度传感器配合时，可以对机械振动中的加速度量进行测量，在机械、化工、航天等领域有着十分广泛的应用。

2.2.3 数据采集卡

本实验系统采用NI公司生产的9205采集卡。

2.2.4 激光振动测量仪

本实验系统采用的激光振动测量仪，可以直接测量并输出振动速度量。

3 测试方法及数据处理

3.1测试方法

3.1.1 振动速度的间接测量方法

本实验中，振动速度的间接测量方法为加速度一次积分测量法。加速度一次积分测量法，是当前振动测试领域较为成熟的一种方法。其测试系统的性价比较高，对测试环境的要求较低，系统的搭建、使用十分简便，测试数据后期的处理方法也十分成熟。

3.1.2 振动速度的直接测量方法

本实验中，振动速度可以由激光振动测量仪直接测出。

3.2数据处理

3.2.1 振动加速度信号的处理

实验过程中所测得的振动加速度信号，应先对其进行A/D转换并消除直流分量。消除直流分量之后的信号还应进行滤波处理，滤波的方法有两种：数字频域滤波、时域滤波。本实验中采用数字频域滤波。

a 消除直流分量

滤波之前，首先要消除加速度信号中所包含的直流分量，消除直流分量的方法：先求出N个采样数据的平均值，然后将各采样值进行减去平均值的处理，所得数据即为消除直流分量之后的值。

b 数字频域滤波

在积分之前，还要对消除直流分量之后的振动信号进行滤波处理，本实验中采用基于FFT变换的频域滤波。

c 进行数字积分

对加速度信号进行直接数字积分，得到初步的振动速度信号。数字积分的方法有很多，常用的有梯形法和辛普森法。

d 需消除趋势项

振动测试过程中，受到外界环境温度变化以及其他干扰的影响，传感器会产生零漂、低频性能不稳定等现象。振动测试数据因而往往发生偏离基线的现象，并且偏离基线的程度还会随时间发生变化，这种现象就是趋势项。趋势项是干扰量，需要消除，常用的方法为最小二乘法。

对所得到的初步振动速度信号，进行消除趋势项处理，即可得到可用的速度信号。

3.2.2 振动速度信号的处理

由于激光振动测量仪所输出的信号即为速度信号，无需再进行其他处理，可直接应用。

3.2.3 振动烈度计算

振动烈度是反应机械设备工作状态的简明特征量，在以上数据处理的基础上，指导学生进行振动烈度的时域和频域计算。

4 结论

本文设计了一种振动测试的教学实验，对实验目的、实验内容、实验原理、实验设备、测试方法及数据处理方法进行了介绍。通过本实验，学生可以综合性的掌握机械振动的机理、振动测试的原理、信号采集的方法以及数据处理的相关知识。

参考文献

[1]卢建霞，屠大维，赵其杰，许烁.机械工程测试技术实验教学创新平台设计[J].实验室研究与探索.2015（04）：183

[2]彭军强，于鸿彬，靳晓曙.机床振动的计算机测量综合性实验设计[J].黑龙江科技信息.2015（35）：158

[3]贺妍，马维金，刘迎各，张纪平.基于时频特征提取与神经网络的齿轮箱故障诊断[J].机电信息.2016（12）：68

作者简介

王立标（1983-），男，汉族，浙江台州，讲师，主要从事机电动力学分析及控制。

Research on the application of Multisim and LabVIEW joint simulation in the teaching of sensor course in Higher Vocational Colleges

Wang Yuanyue
（Mechanical&Electrical Engineering College, Shaoxing Vocational&Technical College, Shaoxing Zhejiang, 312000）

Sensor course is one of the important professional courses in college, such as electronic technology, industrial robot technology. The course introduces the basic principles and typical applications of all kinds of sensors. With the development of simulation technology, the sensor teaching also introduced simulation technology aided teaching to improve the teaching effect, but less sensor model currently used for electronic circuit simulation software, it is difficult to realize the informationization of sensor technology teaching. In view of this situation, the use of Multisim and LabVIEW joint simulation is proposed to improve the quality of teaching . Multisim and LabVIEW improve the project teaching method, improve the students learning methods to improve students’ learning efficiency, and is conducive to the cultivation of students’ innovative ability, it is worth promoting.

sensor teaching, simulation technology, joint simulation, Multisim, LabVIEW

王元月（1977—），女，贵州毕节人。讲师，硕士，主要从事电源技术及智能控制方向的研究。

浙江省教育科学规划研究课题（2016SCG147）