基于创新能力建设的虚拟仿真电阻式传感器设计＊

王升升

（吉林工业职业技术学院，吉林 吉林 132013）

0 引言

传感器技术是人类探索未知世界、自然现象及工业生产过程中必不可少的科研工具，通过传感器可以采集大量有价值的信息。传感器是将被测量的信息按照一定的规律转化成电信号的器件，在检测和转化电量过程中的工作原理较难认知。同时传感器涉及较多的电路、电子等方面知识，以往的教学形式多以验证性实验为主，很少能够对传感器内部进行深入的探究。笔者以培养高职学生工程创新能力为目的，利用EDA软件Multisim，设计开发虚拟仿真电阻式传感器。

1 设计思路

传感器在人类研究工业控制中有着不可替代的作用。几乎每一个实践工程项目中，都需要借助各种类型的传感器来获取有重要价值的信息。在工业生产过程中，温度、压力检测是一项非常重要的控制指标，温度、压力传感器是工业生产过程中常用的检测仪表，通过温度、压力敏感元件将感受到的温度、压力信息转换成电信号。

由于本身温度、压力传感器的组成以及工作机理复杂，较难理解，且在高等职业教育中，传统课程理论教学不能很形象地对其进行说明。结合高等职业教育特点，可利用网络平台通过学生自主学习、自主设计创新等形式提出虚拟仿真电阻式传感器设计方案。

1）利用网络平台预习电阻式传感器的工作原理及结构等；

2）提出技术要求，进行温度、压力传感器总体设计；

3）利用EDA软件Multisim进行温度/电压、压力/电压、气体/电压电路的设计、测试和分析。

通过网络平台的自主预习、技术创新等方式，进行电阻式传感器项目设计，能够全面地向学生展示电阻式传感器的工作原理、转换电路及最终的仿真结果，体现“学做一体化”的课程教学理念。通过此项目能够提高学生的创新热情，提升学生实际工程的实践能力，最终达到培养学生就业职业技能的目的。

2 温度传感器设计

提出技术要求：电阻式温度传感器采用铂热电阻作为温度敏感元件，测量温度在-50℃～50℃范围变化时，输出直流电压-5 V～5 V。

2.1 温度/电压转换电路设计[1]

温度检测过程中用铂热电阻（Pt100）作为检测元件，铂热电阻的分度表如表1所示。从分度表中可知，铂热电阻与温度变化的关系为每变化1℃约对应0.391Ω，按照技术要求在温度-50℃～50℃范围变化时，对应的铂热电阻的阻值80.31Ω～119.40 Ω。

表1 铂热电阻（Pt100）分度表

温度/电压转换电路利用电阻组成桥式电路，如图1所示。电阻桥式电路中铂电阻为R4+R5，在分度表的定义中，当环境温度为0 ℃时，铂热电阻的阻值为100 Ω。此时的R3电阻的阻值为100 Ω。按照技术要求，桥式电路的电流要在0.1 mA以下，电源电压E1为12 V。

图1 温度传感器仿真电路

2.2 放大电路

放大电路使用运放LF353及电阻R6～R11，采用这种典型的测量放大器可以对输入阻抗高、零点漂移等现象具有很好的相互抵消特点。放大电路分为2级，第1级放大电路放大倍数为101，第2级放大电路放大倍数为25.5。

2.3 仿真结果

在温度传感器仿真电路中，电压表M1～M4用来测量各个测试点的电压。通过电阻温度传感器的工作原理可知，M4电压表的度数放大十倍即为温度的实际值，通过电位器R5的调整可以得到实验数据，如表2所示[2]。

表2 温度传感器实验数据 ℃

3 压力传感器设计

提出技术要求：电阻式压力传感器采用硅膜片作为压力敏感元件，测量压力在0 g～1500 g范围变化时，输出直流电压0 V～1.5 V。

3.1 压力/电压转换电路设计[3]

硅膜片电阻加工工艺较复杂，利用微细加工工艺在硅片上制成硅膜片，同时在硅膜片上利用离子注入加入4个对臂电阻并组成电桥。其工作原理为当硅膜片受到外力作用时，膜片产生弹性形变，使电桥中的一个对臂电阻的阻值变大，另一个对臂电阻的阻值变小，电桥失去平衡[4-5]。技术要求测量压力在0 g～1500 g范围变化时，对臂电阻的阻值增大变化量为50.00 kΩ～50.75 kΩ，对臂电阻的阻值减小变化量为49.25 kΩ～50.00 kΩ，灵敏度为0.5 Ω/g。利用4个等效电阻R1～R4组成压力/电压转换电路，如图2所示。当按动R键时，对臂电阻R1、R3阻值增加，对臂电阻R2、R4阻值减小，其输出电压为：

式中，VCC=10 V，通过R1～R4取值范围调整，可以分析出当外界压力在0 g～1500 g范围变化时，输出电压U01=0m V～150 mV。

图2 压力传感器仿真电路

3.2 放大电路、校零电路设计

放大电路共分两级，其中运放由U1A、U1B、U1C和R5～R11组成，两级放大电路中第一级放大电路的放大倍数Au1=10，第二级放大电路放大倍数为Au2=1，经过两级放大后电压放大后输出范围为：0.000 V～1.500 V。

校零电路的组成为运放U1D和电阻R12～R14，当电阻R0=50 Ω时，如果电压Uo不为零时，调试电阻R13进行校正[6]。

3.3 仿真结果

如压力传感器仿真电路中所示，各个测试点中的电压利用万用表XMM1-XMM4进行测量，在检测过程中万用表XMM4的实测值即为压力检测值。通过调节电位器R0即可得到表3实验数据。

表3 压力传感器实验数据

4 结语

笔者通过2种适合虚拟仿真传感器的设计，结合工程实际应用，对现有的项目化教学做了有益的尝试。通过典型教学案例和虚拟仿真电阻传感器的结合，既能培养学生自主学习的良好习惯，又能对实际的传感器技术有更深层次的理解，促进工科高职学生综合能力的成长，对学生的创新创业能力有很大帮助。既可以锻炼学生，又能够提升教师的教书育人能力。