仿真技术在传感器实验教学中的应用研究

梁志勋　阮忠　易云飞

摘 要：针对传感器原理实验教学设计的现状，文章提出利用MATLAB、Multisim和Proteus仿真软件进行实验教学设计，解决学校实验教学中实验仪器和耗材不足及损耗等问题，补充现有实验教学设计单一性问题，促进实验教学的可操作性，加深学生对传感器原理及其特性的理解，提高学生的动手能力，促进创新性和应用型人才的培养。

关键词：传感器；仿真技术；实验教学；MATLAB；Multisim；Proteus

中图分类号：TP212；TM743 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）20-0088-03

一、引言

传感器技术、通信技术和计算机技术被称为信息系统的三大关键技术[1]，《传感器原理与应用》是高校电子信息类专业的必修课程，是一门实践性很强的课程，实验教学环节是该课程的重要教学环节[2-3]。目前开设有电子信息类相关专业的高校基本建设了相对应的传感器原理实验室，来完成对应的实验教学。当前传感器原理实验室基本以成套的硬件设备为主，基本上能够满足原理验证性实验教学的要求[4]，但是这样的实验教学方式难以激起学生的学习兴趣，调动学生学习的能动性，并且缺乏设计性实验，难以满足培养创新性人才的需求。在教育部大力倡导利用虚拟仿真技术促进高等教育教学的时代背景下，利用仿真技术，在教学中为学生创造一个良好的学习实践条件，让学生在直观的环境中观察和分析问题，有助于提髙学习兴趣和积极性，是目前高等教育教学在培养创新性和应用型人才问题上热点讨论的问题[5-6]。近些年，河池学院在《传感器原理及应用》实验教学中，坚持以培养创新性和应用型人才为目标，进行了实验教学的改革，利用MATLAB、Multisim和Proteus仿真技术，在实验教学中进行应用研究和相关实验设计，取得了较好的教学效果。

二、传感器的动态特性实验设计

在传感器原理教学中，系统的一、二阶响应是学生较难理解的部分，要进行实验教学更加困难，我校利用MATLAB仿真技术进行实验教学，取得了较好的教学效果，不但加强了学生对传感器系统响应原理的理解，而且极大提高了学生对传感器原理学习的兴趣。

1.传感器一阶系统实验

通过利用MATLAB中的“step”和“bode”函数仿真一阶传感器系统的阶跃响应和频率响应特性。改变传递函数中的时间常数τ，观察其阶跃响应和频率响应特性的曲线，学生通过直观的实验现象来深入理解传感器系统的时间常数τ和阶跃响应及频率响应特性之间的关系。

传感器一阶系统实验仿真例子如图1所示，图1（a）为一阶传感器系统的时间常数τ分别为2、5、10时的阶跃响应特性。由图中曲线可直观看出，时间常数τ越小，其阶跃响应特性越好。图1（b）为传感器一阶系统的时间常数分别为τ等于0.1、0.01、0.001时的频率响应特性，由图中曲线可直观看出，时间常数τ越小，其频率响应特性越好。在实验过程中要求学生设置不同的实验参数，得出实验结论，通过本次实验，深入理解传感器一阶系统的阶跃响应和频率响应特性。

2.传感器二阶系统实验

通过利用MATLAB中的“step”和“bode”函数仿真二阶传感器系统的阶跃响应和频率响应特性。改变传递函数中的时间常数τ、w，观察其阶跃响应和频率响应特性的曲线，学生通过直观的实验现象，深入理解传感器系统的时间常数τ和阶跃响应及频率响应特性之间的关系。

传感器二阶系统实验仿真例子如图2所示，图2（a）为二阶传感器系统的阻尼系数ξ分别为0、0.5、0.6、1、1.5时系统的阶跃响应特性，由图中曲线可直观看出，当系统的固有频率为常数时，阻尼系数ξ为0.6-0.8之间时，响应时间较短，过冲不大。图2（b）为传感器二阶系统的阻尼系数ξ分别等于0.1、0.2、0.6、1.0、1.5时的频率响应特性，由图中曲线可直观看出：①当ξ小于1，且输入信号频率小于系统固有频率时，输出幅值接近出入幅值。但是当输入信号频率大于固有频率时，幅值有一定的增益；②当ξ大于1，输出信号的幅度随着输入信号的频率变大迅速衰减。因此可得出结论，ξ为0.6-1.0之间时，幅频特性较好，且相频特性也较线性。在实验过程中要求学生设置不同的实验参数，得出相对应的实验结论，使学生深入理解传感器二阶系统的阶跃响应和频率响应特性。

三、利用Multisim进行电桥电路实验

传感器系统的前端信号采集电路中通常采用四桥臂电桥对微弱信号进行转换，根据供电电源形式可分为直流电桥和交流电桥，也可以根据接入电桥的传感器数量分为单桥、半桥和全桥。Multisim是由美国国家仪器公司提供的一套完整电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件及方案[10-11]，具备功能强大的模拟电路仿真能力，非常适用于传感器的电桥电路仿真实验[12-13]。

如图3中的图（a）、（b）、（c）所示，在直流电桥电路中，学生分别通过改变电路中的可调电阻，利用虚拟电压表测量电桥的输出电压，可以直观得出单桥、半桥和全桥的电压输出，进一步对三种电路的特性进行比较。在交流电桥电路中，如图3中的图（d）所示，利用虚拟示波器探测交流电桥电路的输出波形，当改变电容C1的容值大小时，信号逐渐增大，电桥的输出波形如图4所示。通过测试和分析，深入理解交流电桥在电容式传感器中应用的工作原理。

四、利用Proteus进行各类传感器实验

Proteus仿真软件是英国Labcenter Electronics公司于1989年开发的一款广泛应用于电子电路和单片机系统的仿真软件[14-15]。该软件不仅可以对电子电路和单片机系统进行仿真测试，还提供了大量的传感器仿真元件[16-18]，可以完成电阻式、电容式、光电、温湿度等多种传感器实验。

如图5所示，仿真软件器件库提供了多種传感器仿真元件，从左至右依次分别为热电偶、PTC温度传感器、MPX4115集成压力传感器、LDR光敏电阻、光电二极管。按照课程的教学需要，选取对应的传感器元件，可以进行详细的传感器实验项目设计，也可以安排学生结合该软件器件库给出的单片机等其它器件，进行综合性的传感器课程设计，进一步提高学生的综合设计能力。

五、结束语

目前《高校传感器原理及应用》实验教学采用单一硬件仪器设备进行原理验证性实验方式，由于设备陈旧或实验耗材缺乏等原因，使得该方式难以满足多样化设计性实验需求，难以激起学生的学习兴趣，不能充分调动学生学习的主观能动性。而利用仿真技术，不但在缺乏实验耗材的情况下依然能够正常进行实验教学，并且仿真软件能够实时对仿真器件库进行更新。同时也方便学生课后在实验室外自行设计感兴趣的实验内容，充分调动学生学习积极性，有效提高了该门课程的教学效果。通过我校对该门课程实验教学改革的实践，利用仿真技术和硬件仪器设备教学相结合，取得了很好的教学效果，历年学生参与全国大学生电子竞赛分别取得多项一等奖和二等奖的好成绩。

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（编辑：鲁利瑞）