傳感器課程教學中模擬仿真的應用

劉德國 黃成玉

（華北科技學院電子信息工程學院，中國 北京101601）

0 前言

傳感器課程是自動監測技術、電子等專業的一門必修課程，該課程牽涉到物理、化學以及材料、電路等多方面的知識，內容顯得有所零亂而不利于學生系統地掌握。而該課程又需要學生具有一定的動手實踐能力，通過實驗驗證有關的傳感器的工作原理和工作特性。在課堂教學中做實驗，必然耗費較多的時間。為了解決這一問題，利用電路仿很軟件可以很好的實現理論和實踐的結合。目前常用的電路仿真軟件有multisim和proteus等軟件[1]。在傳感器教學過程中，適當的利用這些軟件可以避免抽象的理論和概念，克服了“黑板+粉筆”的枯燥性，課堂教學可以收到形象、直觀、生動、活潑的效果。

1 理論和仿真相結合的過程

在傳感器課程教學過程中，可以根據所講授的內容引入multisim軟件模擬和仿真的功能，進行理論和模擬仿真的結合。如對于電容壓力傳感器。常常采用雙T型電橋電路測量差動傳感器的電容[2-3]。如圖1所示。

該電路中，C1和C2為差動式電容壓力傳感器的一對電容，e為對稱方波的信號源，RL為測量儀表的內阻，D1和D2為性能相同的兩個二極管，R1=R2為固定電阻。該電路可以從電路理論上電容的充放電過程分析RL兩端的電壓隨C1，C2的變化情況，為此做簡單的理論分析：

當電源正半周時，可以求得流過RL的電流為：

當電源負半周時，可以求得流過RL的電流為：

由此可以求得電流的平均值，進而求出流過RL的電壓的平均值為：

圖2 multisim仿真差動式電容壓力傳感器

仿真電路用一個信號發生器發出的方波信號代替交流電源，圖中的示波器用來觀察信號發生器發出的波形。實驗中，信號發生器發出的是占空比為50%的方波，頻率為100Hz。通過改變電容C1，C2的差值可以看出電壓表的變化情況。通過模擬測量可以得到如下表1所示電壓的變化情況：

表1 差動式電容壓力傳感器測量電壓和差動電容差值

通過仿真得到的實驗數據，可以很容易的看出差動電容傳感器的兩個電容變化差值與引起測量電壓的變化成正比，仿真演示結果和理論相符合。

通過這一仿真過程，學生對雙T型電橋測量電路和差動電容式傳感器的結構和工作原理有了清晰而深刻的認識。因此，在實際做實驗的時候，可以很容易地獨立完成實驗電路的搭建，收到事半功倍的效果。

2 結論

由此我們可以看出，利用軟件的模擬仿真功能，驗證了理論推導的結果，使抽象的、繁瑣的傳感器理論變成具體的、可以觀察到的電路，學生增加了學習的興趣，加深了對知識的理解，又克服了不能把實驗室搬到課堂上的缺點。因此在傳感器教學中根據課程內容的特點引入必要的仿真，可以收到較好的教學效果。

［1］薛鵬騫,梁秀榮.電子設計自動化技術實用教程[M].中國礦業大學出版社,2007,2.

［2］何道清,張禾,諶海云.傳感器與傳感器技術[M].科學出版社,2008,6.

［3］張雪文,張志勇.傳感器原理及應用[M].北京航空航天大學出版社,2004,3.