MuItisim和LabVIEW聯合仿真在高職傳感器課程教學中的應用研究

王元月

（紹興職業技術學院機電工程學院，浙江紹興， 312000）

MuItisim和LabVIEW聯合仿真在高職傳感器課程教學中的應用研究

王元月

（紹興職業技術學院機電工程學院，浙江紹興， 312000）

我院應用電子技術、工業機器人技術等專業都開設了傳感器課程，該課程主要介紹各類傳感器的基本原理及典型應用。隨著仿真技術的發展，傳感器教學中也引入了仿真技術輔助教學以提高教學效果，但是目前用于電子電路仿真軟件中的傳感器模型較少，很難實現傳感器技術的信息化教學。針對這一情況，提出了采用Multisim和LabVIEW聯合仿真來進行傳感器的教學以提高教學質量，完成教學目標。Multisim和LabVIEW的引入進一步完善項目教學法，改進了學生學習方式提高學生學習效率，并且有利于學生創新能力的培養，值得推廣。

傳感器教學；仿真技術；聯合仿真；Multisim；LabVIEW

0 引言

人類用五官感知各種信息，而智能機器依靠的是傳感器，它通過傳感器把信息轉換為便于處理的信號，然后再對其進行分析處理。傳感器是實現自動檢測以及自動控制的關鍵環節，如果沒有傳感器將被測的原始信號進行捕捉、采集和轉換，則無法完成自動化檢測和控制[1-2]。高校自動檢測、自動化、電子、物聯網等專業都開設了傳感器課程，該課程主要介紹各類傳感器的基本原理和典型應用。隨著仿真技術的發展，傳感器教學中也引入了仿真技術輔助教學以提高教學效果，但是目前用于電子電路仿真軟件中傳感器模型較少，很難實現傳感器技術的信息化教學。針對這一情況，提出了采用Multisim和LabVIEW聯合仿真來進行傳感器的教學提高教學質量，完成教學目標。

1 基于電阻應變片的壓力傳感器仿真設計

電阻應變片是一種利用應變效應把應變變化轉化成電阻值變化的傳感器，它廣泛用于工程測量和科學實驗中的應變力、扭矩、加速度、壓力等非電量的測量。在傳感器教學中，通過電子秤項目讓學生了解應變效應，掌握電阻應變片的原理、測量電路及應用。通過對電阻應變片的原理分析，在multisim中建立仿真模型，在LabVIEW中建立重量顯示界面，并將該界面導入到multisim中進行仿真操作。

1.1電阻應變片模型建立

圖1 電阻應變片仿真模型

圖2 電阻應變片構成的半橋單臂電路仿真

圖3 電阻應變片構成的全橋電路仿真

虛線框內的壓控電阻來模擬應變片在受力的作用下產生的電阻值變化量?R ，電源電壓V理解為重物的質量m，單位是kg，如果將電源反接則表示受力相反。

1.2測量電路

將電阻應變片粘貼到構件上，應變片電阻將隨構建應變而改變，通常將應變片接入直流電橋電路的橋臂，將電阻的變化轉換成電壓的變化。把直流電橋中的其中一個橋臂用電阻應變片仿真模型代替組成半橋單臂電橋，仿真電路如圖2所示，電路中設置了電位器用作調零，使得輸入為零時即沒有力的作用下，輸出?U也為零。半橋單臂仿真電路中，重物質量10g時輸出電壓為149.991uV，符合理論分析結果。為了提高電橋電路的輸出電壓靈敏度，將直流電橋的四個橋臂都采用電阻應變片仿真模型構成全橋電路，仿真電路如圖3所示，10g輸出電壓為600uV。從仿真結果中，當采用全橋電路時，輸出電壓是半橋單臂電橋的4倍， 即輸出電壓靈敏度提高了4倍。

圖4 測量電路仿真

全橋電路將應變變化轉換成電壓的變化，輸出電壓較小要經過放大處理，放大電路需要較強的共模抑制比，電路由四個運放構成，A1和A2組成電壓跟隨器，而A3組成差動放大器，A4構成反相比例放大電路，測量電路仿真如圖4所示。滿量程（500g）輸入時電橋輸出是30mV，經過放大器后輸出約為3V，可以配合后續的模數轉換器ADC。

1.3顯示儀表

Multisim仿真軟件中沒有合適的虛擬儀器能夠顯示稱重的結果，因此需要在LabVIEW中設計符合這一仿真稱重電路的虛擬顯示模塊。首先在Multisim仿真電路中對設計好的測量電路進行仿真得到一組實驗數據。根據數據運算及推導得到所需要的重量與輸出電壓的數學關系式，然后就可以進行稱重裝置的顯示模塊的設計。表1是由仿真實驗數據，包括電阻變化量ΔR和輸出電壓Uo及其相對應的要仿真的重物質量m。從實驗數據中可以得出結論：力的變化與輸入電壓的變化是成正比的，而且是線性關系。Y=kx，Y為輸出電壓，x為重量，系數k=6.17。

表1 檢測電路實驗數據

在LabVIEW中設計前面板并進行相應程序框圖的繪制，將設計好的LabWIEW導入至Multisim仿真軟件中，仿真結果如圖5所示。

圖5 稱重顯示界面

2 聯合仿真在教學中的應用

2.1改進學生學習方式提高學習效率

在傳感器教學中根據傳感器的工作原理設計了相應的傳感器仿真模型，例如力傳感器金屬應變片的仿真模型，溫度傳感器鉑電阻以及熱電偶的仿真模型，霍爾傳感器的仿真模型等。學生在Multisim仿真平臺上制作傳感器模型，自行設計傳感器測量電路，將傳感器接入后續的調理電路，然后使用平臺提供的測量儀器或者使用LabVIEW設計的虛擬儀器對電路進行測試。學生通過對傳感器仿真模型的建立，測量電路的設計制作以及對電路的仿真測試操作，這一系列的學習過程使學生對傳感器的工作原理和性能有了深刻的認識，掌握了傳感器的測量電路，信號的處理以及傳感器的應用。傳感器教學過程中采用Multisim和LabVIEW聯合仿真改進了學生的學習方式，從而促進了學生的有效學習。

2.2進一步完善項目教學法

我院應用電子技術專業的傳感器課程采用項目化式教學，將教學內容融入項目中，引導學生項目的實施和項目的完成。傳感器教學內容分為六個項目項，目中的每個任務主要分為確定任務、制定計劃、進行決策、實施任務、檢查評估五個步驟。引入multsim和LabVIEW聯合仿真后，學生設計的電路可以先用multsim和LabVIEW進行檢測，如有問題修改電路直至電路仿真運行成功，這樣使得學生的任務完成情況和自我評價變得直觀。學生將設計的電路仿真成功后再實施電路的實物制作，這就提高了學生制作電路的成功率，從而也幫助學生樹立了自信心，學生自信心增強了對學習的興趣也提高了，進入了一個良性的循環，對項目的完成有很大的促進作用。例如，在實施鹽欲爐溫度的檢測的任務時，首先讓學生對測溫傳感器熱電偶進行原理分析，在Multisim仿真軟件中建立仿真模型，其次將傳感器的輸出接入后續的測量電路進行仿真調試，在調試過程中使用各種虛擬儀器對電路進行檢測，根據檢測結果修改調整電路參數確定項目方案，最后再制作實際電路。

2.3有利于培養學生創新能力

創新是真正意義上的超越，學會開放性思維、學會創新是當代大學生應該學會的一種能力[3]。現在的大學生從小學、中學到高中大多是被動接受老師機械的灌輸，很少會有自己獨立思考的空間，這就限制了學的創新性思維，阻礙創新能力的發展。在傳感器教學中引入Multisim和LabVIEW聯合仿真，學生可以使用LabVIEW設計個性化的顯示模板，這不僅使學生進一步的掌握傳感器信號的處理，同時也培養了學生的創新能力。學生也可以使用LabVIEW采集卡采集真實傳感器的信號，并把這些信號保存起來作為Multisim電路的輸入激勵信號，輸入信號源可由學生自行設計，學生根據自己的喜好設計具有個人特色的面板，學生的想象空間得以充分的發揮，想象是創造的翅膀，讓學生在學習過程中最大限度的發揮自己的想象力，從而培養學生的創新能力。

3 結論

它可幫助學生在整個工程和理論課程學習過程中輕松掌握電子電路以及電力電子的基本概念、電路原理、電路設計以及調試的方法，而LabVIEW可以構建虛擬儀器以替代實際的儀器完成電測試、測量及顯示任務。將Multisim和LabVIEW聯合仿真的引入傳感器教學進一步完善項目教學法，改進了學生學習方式提高學生學習效率，同時有利于學生創新能力的培養。

[1]韋青燕,張天宏.基于Multisim的恒壓型熱線風速測量系統電路仿真分析[J].傳感技術學報,2015,28（4）:462-468.

[2]徐洋,胡向東,郭鵬.基于虛擬儀器的傳感器課程設計建設[J].儀器儀表學報2008,29（8）:585-587.

[3]趙巖,李新殿,包海鷹. 大學生創新能力的制約因素分析與對策研究[J].黑龍江教育學院學報,2016（1）:16-18.

圖1 振動測試實驗系統

實驗系統如上圖所示，由電動機、壓電式加速度傳感器、電荷放大器、NI數據采集卡、筆記本電腦等組成。

2.2.1 壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器由壓電材料以及敏感元件構成，其特性為遭受外力后會在表面產生電荷。

2.2.2 電荷放大器

本實驗系統采用KD5018型雙積分電荷放大器，可以將輸入的電荷量轉換為相應的電壓量進行輸出。該型電荷放大器與壓電式加速度傳感器配合時，可以對機械振動中的加速度量進行測量，在機械、化工、航天等領域有著十分廣泛的應用。

2.2.3 數據采集卡

本實驗系統采用NI公司生產的9205采集卡。

2.2.4 激光振動測量儀

本實驗系統采用的激光振動測量儀，可以直接測量并輸出振動速度量。

3 測試方法及數據處理

3.1測試方法

3.1.1 振動速度的間接測量方法

本實驗中，振動速度的間接測量方法為加速度一次積分測量法。加速度一次積分測量法，是當前振動測試領域較為成熟的一種方法。其測試系統的性價比較高，對測試環境的要求較低，系統的搭建、使用十分簡便，測試數據后期的處理方法也十分成熟。

3.1.2 振動速度的直接測量方法

本實驗中，振動速度可以由激光振動測量儀直接測出。

3.2數據處理

3.2.1 振動加速度信號的處理

實驗過程中所測得的振動加速度信號，應先對其進行A/D轉換并消除直流分量。消除直流分量之后的信號還應進行濾波處理，濾波的方法有兩種：數字頻域濾波、時域濾波。本實驗中采用數字頻域濾波。

a 消除直流分量

濾波之前，首先要消除加速度信號中所包含的直流分量，消除直流分量的方法：先求出N個采樣數據的平均值，然后將各采樣值進行減去平均值的處理，所得數據即為消除直流分量之后的值。

b 數字頻域濾波

在積分之前，還要對消除直流分量之后的振動信號進行濾波處理，本實驗中采用基于FFT變換的頻域濾波。

c 進行數字積分

對加速度信號進行直接數字積分，得到初步的振動速度信號。數字積分的方法有很多，常用的有梯形法和辛普森法。

d 需消除趨勢項

振動測試過程中，受到外界環境溫度變化以及其他干擾的影響，傳感器會產生零漂、低頻性能不穩定等現象。振動測試數據因而往往發生偏離基線的現象，并且偏離基線的程度還會隨時間發生變化，這種現象就是趨勢項。趨勢項是干擾量，需要消除，常用的方法為最小二乘法。

對所得到的初步振動速度信號，進行消除趨勢項處理，即可得到可用的速度信號。

3.2.2 振動速度信號的處理

由于激光振動測量儀所輸出的信號即為速度信號，無需再進行其他處理，可直接應用。

3.2.3 振動烈度計算

振動烈度是反應機械設備工作狀態的簡明特征量，在以上數據處理的基礎上，指導學生進行振動烈度的時域和頻域計算。

4 結論

本文設計了一種振動測試的教學實驗，對實驗目的、實驗內容、實驗原理、實驗設備、測試方法及數據處理方法進行了介紹。通過本實驗，學生可以綜合性的掌握機械振動的機理、振動測試的原理、信號采集的方法以及數據處理的相關知識。

參考文獻

[1]盧建霞，屠大維，趙其杰，許爍.機械工程測試技術實驗教學創新平臺設計[J].實驗室研究與探索.2015（04）：183

[2]彭軍強，于鴻彬，靳曉曙.機床振動的計算機測量綜合性實驗設計[J].黑龍江科技信息.2015（35）：158

[3]賀妍，馬維金，劉迎各，張紀平.基于時頻特征提取與神經網絡的齒輪箱故障診斷[J].機電信息.2016（12）：68

作者簡介

王立標（1983-），男，漢族，浙江臺州，講師，主要從事機電動力學分析及控制。

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，貴州畢節人。講師，碩士，主要從事電源技術及智能控制方向的研究。

浙江省教育科學規劃研究課題（2016SCG147）