虚拟仿真技术在“传感器技术及应用”教学中的应用

封居强，聂文艳

（淮南师范学院机械与电气工程学院，安徽淮南232000）

传感器技术及应用是自动化系统、物联网与信息领域等发展的源泉和基石[1]，是电子信息类课程的专业基础课，也是学生毕业后在工作中经常用到的一门技术，具有很强的应用性，是整个大学课程体系中的核心课程。传感器与检测技术是信息获取的关键，是信息社会的基础[2]。

传感器技术及应用是以大学物理、电路分析基础、模拟电子技术信号与系统等课程为背景[3]，着重分析各类传感器的基本特性、工作原理及测量电路，根据典型应用进一步阐述参考检测、微弱信号检测、数据融合、测量不确定度与回归分析等核心问题。着重培养学生对基本理论、基本方法的掌握和典型传感器的应用，使学生能够独立、合理的选用常用电子仪器、设计测量电路，且能够对测量结果进行误差分析和数据处理，突出动手能力的培养。然而，学生动手能力的强弱除了先天因素外，在学校期间的相关训练是决定其能力水平的主要因素。因此，涉及学生能力培养的实践教学就显得越来越重要[4]。

1 目前教学现状

学习能力是大学生的核心能力之一。传统教学模式下,由于时间、空间及教学内容的限制,学生的学习能力培养无法有效实现[5]。根据传感器技术及应用课程的人才培养目标，针对传统的培养方式存在的问题主要表现为以下三个方面：

（1）教师难教、学生难学。传感器技术及应用涉及到的知识面较广，以物理定律或物质的物理、化学或生物特性为研究对象，进行微弱信号的采集、转换和处理。单独通过理论分析压阻效应、电磁感应效应、光电效应等物性对于普通高校学生难以接受。对于仅有电路分析基础的同学，二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路、不确定测量与回归分析都难易接受。同时教师又无法将大学物理、电路分析、信号分析等前期课程进行详细的阐述，导致教师难教、学生难学的现象普遍存在。

（2）看不到、摸不着。传统的实验室设备都是以实验项目为基础，将传感器、测量电路、分析电路进行全模块化封装处理。在实验过程中，只需要在完好的仪器设备上按照实验要求进行连线，通过液晶屏或数码管得到实验结果。另外实验结果错误时，无法判断那一具体环节出现了问题，学生将实验失败统一归纳为设备问题，无法达到考核学生对传感器技术、检测技术、误差分析和数据处理等理论知识和技能。

（3）理论与实践不统一。理论教学环节中存在的问题恰恰是解决实验理论性分析的依据，理论基础不牢，实验就无法有效的开展。而实验中存在的“看不到、摸不着”的问题，恰恰影响到了理论在实验中的应用。独立的问题导致了理论教学环节和实践教学环节的脱节，从而无法达到理论与实践相统一、突出能力的培养目标。

针对现状，桂秋静[6]提出了将理论课程教学与LabVIEW软件技术结合的方法，实现了实验室教学与工业实际应用接轨；王元月[7]提出采用Multisim和LabVIEW联合仿真软件，针对高职院校的传感器课程作为辅助教学，改进学生学习方式、提高学生学习效率；张蓬等[8]利用LabVIEW软件辅助《检测与传感》教学，帮助学生直观的理解抽象的信号描述和采样定理等原理。本文提出的虚拟仿真教学平台是针对于本科传感器技术及应用教程，不是辅助教学工具，是一套完整的课程教学平台，实现了传感器技术及应用、虚拟仪器技术和数字电子课程设计等多课程的融合，能够实现应用型大学关于传感器技术与应用课程的培养目标。

2 虚拟仿真技术

准确的讲，虚拟仿真技术应包括虚拟仪器技术和软件仿真技术。通过Multisim仿真软件分析设计测量电路，LabVIEW虚拟仪器图形化开发环境开发虚拟仪器实现数据分析和结果呈现。

2.1 虚拟仪器

虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是虚拟仪器技术在仪器仪表领域的一个重要应用，是现代计算机和仪器技术深层次结合的产物，是计算机辅助检测领域的重要技术。以微机为核心的硬件平台为基础，通过LabView编程软件实现用户自定义设计具有虚拟面板的一种计算机测试仪器系统[9]，其构成框图如图1所示。

图1 虚拟仪器的构成框图

2.2 Multisim电路仿真软件

Multisim电路仿真软件可以进行电路原理图的设计、绘制，是具有强大的仿真能力与电路分析能力的一款电路分析软件[10]。与Tina、Proteus、Cadence、Matlab仿真工具包Simulink等电路仿真软件相比，在模电、数电的复杂电路虚拟仿真方面，Multisim具有形象化的、极其真实的虚拟仪器，界面设计和内在功能强大，并有与之配套的制版软件NI Ultiboard10进行电路设计到制板的一条龙服务[11]，也可以与配套的虚拟仪器图形化编程软件Lab View进行虚拟仪器的设计。

3 虚拟仿真技术在教学中的应用

铂热电阻在氧化性介质中，甚至在高温下，其物理和化学性能稳定，电阻率较高，精度高，适合在-259～630℃温度范围内进行精确测量。但由于价格较高，现有的实验设备无法完成该实验。因此本文采用虚拟仿真技术实现传感器技术及应用理论和实验教学。

3.1 铂热电阻的工作原理

铂热电阻作为一种温度测量传感器，它是利用导体的电阻值随温度的变化而变化的物理特性来实现温度的测量。在0～850摄氏度范围内公式如式（1）所示。

在-200～0℃范围内公式如式（2）所示。

3.2 传感器模型的建立

在0～850℃情况下，采用公式（1）的数学模型进行实验测试。其中0℃时，常用的铂热电阻电阻值R0＝10或100。本设计中采用的R0＝100，将所有参数带入公式可得数学模型如公式（3）。

根据公式（3）可知温度与铂热电阻的关系，建立仿真电路模型如图2所示。以电压 V1表示环境温度t，压控多项式函数模块模拟公式（3）。由铂热电阻的工作原理可知，输出值加一个为1的比例系数即可得到温度值的变化。

图2 铂热电阻传感器模型

3.3 测量电路的组成与设计

测量电路的组成主要包括稳压模块、基本放大模块、矫正模块和电路输出模块，其整体电路如图3所示。四个模块的设计集中体现了模拟电子技术基础和电路原理分析课程的知识点。

（1）稳压模块：为整体系统提供基准电压。采用稳压二极管D1，通过输出端接电压跟随器提高输入阻抗、降低输出阻抗，最终实现稳定输出电压的目的。

图3 系统测量电路

（2）基本放大电路：由于铂电阻测量温度过程中采用单臂桥电路，会引入一定的非线性误差，为了避免电桥引入的非线性误差，该设计采用基本放大电路测温，其设计如图3所示。

根据模拟电子技术基础课程中的微变等效电路分析法可知图3满足数学表达式（4）.

（3）矫正模块：由于传感器模型中的二次项系数较小，导致存在一定的非线性误差。通过运算放大器U3和电阻R8、R9和R15组成的反相比例放大电路引入负反馈，同时通过Rw2可调节电阻引入电流并联负反馈，通过该模块实现电路输出线性度的矫正和改善。

（4）电路输出模块：为了保证较高的灵敏度，总体电路中加入了反相比例放大电路，调节Rw3的阻值可以实现输出电压范围的控制。

3.4 综合电路仿真

通过稳压环节分析可知，R1上的电流与稳压二极管基本相同，且不受负载电阻的影响，在稳压范围内稳定输出10V。由铂电阻温度特性分析可知，当温度为0℃，Rw1两端电压值约为63.1K时，输出电压为0V，以此实现调零功能。在Multisim中，改变模拟温度的电压源V1，虚拟仪器的输出电压随着相对温度变化，从0～100℃范围开始扫描，每隔5℃记录一次数据，得到的实验数据如表1所示。

表1 虚拟仿真实验数据

采用《传感器技术及应用》课程第十八章中的最小二乘法进行多项式拟合得公式（5）.

所以可得公式（6）

3.5 LabVIEW的虚拟仪器设计

根据公式（3）和多项式求解方法可求温度t随Rt变化的规律，如公式（7）所示。

根据公式（6）和公式（7）建立VI分析系统程序图如图4所示。

图4 虚拟仿真系统VI程序图

通过时域信号采集器，将Multisim中的电压波形提取，作为VI程序的输入信号，Rt作为中间变量输出，温度t为最终测量结果输出。打开Multisim中仿真电路图，在LabVIEW仪器菜单中选择导入VI模块，调节铂电阻模式电压为0.26v，测量结果为44.47℃，运行界面图如图5所示。

图5 虚拟仿真运行结果

4 总结

本文实现了基于虚拟仿真技术在传感器技术及应用教学过程中的创新，针对铂热电阻传感器为例，通过Multisim电路设计分析，调用自定义LabVIEW虚拟仪器完成数据的获取和分析进行虚拟仿真实验。仿真实验设计过程中涉及到基本原理、基本特性和设计方法，突出实验的综合设计和应用能力；实验和数据分析过程中充分体现理论教学环节的重要性，使得理论与实践相对统一、相互补偿，大大促进了学生的学习和动手能力的培养。同时弥补实验教学中场地不足、设备落后的问题，提高了学生的学习积极性和教学质量。