基于模擬軟件的傳感器教學(xué)方法研究

馮斌+杜玉軍

摘要：針對目前傳感器教學(xué)中存在的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作無法很好結(jié)合的問題，提出了使用仿真軟件進(jìn)行傳感器教學(xué)設(shè)計(jì)，用仿真軟件模擬各種傳感器，并進(jìn)行傳感器測量電路的設(shè)計(jì)和分析，使學(xué)生對各種傳感器及其應(yīng)用有直觀的印象。實(shí)踐證明通過仿真軟件的使用，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)習(xí)難度，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：教學(xué)方法；傳感器；仿真

F272.92-4；G642.4

傳感器課程是機(jī)械電子類、電子信息類、自動化類、測控技術(shù)與儀器類等工科專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容涉及到各類傳感器的檢測原理、結(jié)構(gòu)以及相關(guān)測量電路的知識。傳感器在工業(yè)領(lǐng)域以及人們的生活中應(yīng)用十分廣泛，使學(xué)生能掌握傳感器的工作原理，并能夠在將來的工作中靈活應(yīng)用，是提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)應(yīng)用型人才的一個重要內(nèi)容[1，2]。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，對學(xué)生進(jìn)行理論教學(xué)時，學(xué)生普遍反映教學(xué)內(nèi)容抽象，不容易理解。傳感器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在理論教學(xué)之前進(jìn)行，由于教學(xué)時間和實(shí)驗(yàn)器具的限制，一般都是采用實(shí)驗(yàn)箱來完成，并不能保證每個學(xué)生都有時間親自去操作，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果并不理想。基于以上問題，考慮能否采用目前比較成熟的模擬軟件來代替實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并將其融入理論教學(xué)中，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)傳感器電路，實(shí)現(xiàn)傳感器信號由非電量信號到電量信號的轉(zhuǎn)換。這樣不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提供教學(xué)效果，而且對同一個傳感器的轉(zhuǎn)換信號可以通過不同的測量電路來實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生主動去思考，主動去實(shí)際，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

一、傳感器教學(xué)模式中存在的問題

目前，我們的傳感器教學(xué)主要分為傳感器課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作兩部分來完成，而且實(shí)驗(yàn)操作是在理論教學(xué)之前的一個學(xué)期完成，這兩部分的教學(xué)過程都不同程度地存在一些問題。

課程教學(xué)中主要介紹一些傳感器的物理性質(zhì)，測量原理，常用的測量電路，以及在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況等。在給學(xué)生講解這些內(nèi)容時，由于大部分學(xué)生沒有接觸過工業(yè)現(xiàn)場，所以對講解的內(nèi)容缺乏感性認(rèn)識，只能靠死記硬背來對付考試。在講解理論的過程中用不能把實(shí)驗(yàn)裝置搬到課堂上，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)裝置的前期準(zhǔn)備、調(diào)試就可能耗去一般的課堂時間，而在課堂中通過幾張幻燈片和幾個動畫的演示是不可讓學(xué)生和實(shí)際實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來的。

傳感器的課外實(shí)驗(yàn)由于開著理論教學(xué)之前，在做實(shí)驗(yàn)時老師只是大概介紹一些工作原理，讓學(xué)生分組進(jìn)行操作。大部分的實(shí)驗(yàn)過程都是連接導(dǎo)線，運(yùn)行儀器，做一些微量調(diào)節(jié)，觀察實(shí)驗(yàn)效果。學(xué)生沒有充實(shí)的理論基礎(chǔ)，跟著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按部就班的做完實(shí)驗(yàn)，對傳感器的具體工作原理，測量電路中的元器件、測量程序都無從知曉。

二、 仿真軟件在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用

1. 模擬仿真軟件的選擇

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備著重在向?qū)W生演示傳感器的工作原理及測量電路，內(nèi)容單一枯燥、硬件設(shè)備容易損壞。而采用模擬軟件不存在傳統(tǒng)儀器設(shè)備的缺點(diǎn)，可以作為傳感器實(shí)驗(yàn)演示、訓(xùn)練平臺[3-5]。常用的模擬軟件有LabVIEW軟件、Multisim軟件、Proteus軟件。經(jīng)過比較，Proteus軟件可以進(jìn)行直觀的模擬/數(shù)字電路、單片機(jī)、ARM等的仿真，可以方便的從原理圖設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到PCB設(shè)計(jì)，另外該軟件體積小，操作簡單，元器件庫比較齊全，使用者很容易上手[6]。經(jīng)過比較，確定用Proteus軟件作為傳感器教學(xué)中使用的仿真軟件。

2. Proteus軟件在傳感器教學(xué)中應(yīng)用

使用Proteus軟件進(jìn)行傳感器及其測量電路的設(shè)計(jì)是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合應(yīng)用。在教學(xué)實(shí)踐中，通過該軟件的使用，在不需要購買實(shí)際硬件的條件下，就能使學(xué)生搭建傳感器的仿真模型及測量電路，增加了學(xué)生對傳感器工作原理的感性認(rèn)識，比單純的理論學(xué)習(xí)更容易接受。學(xué)生通過該軟件，可以發(fā)揮出更大的主動學(xué)習(xí)興趣，獨(dú)立設(shè)計(jì)出傳感器的仿真電路來完成一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

在傳感器的課堂教學(xué)中，運(yùn)用Proteus軟件能夠增加教學(xué)的生動性，幫助學(xué)生理解抽象的理論知識。例如在講解應(yīng)變式傳感器的測量電路時，教師可以利用事先設(shè)計(jì)好的電橋電路，通過軟件中的虛擬儀器測量應(yīng)變片電阻改變后，電橋各個節(jié)點(diǎn)的輸出電壓，與測量公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，使抽象的理論分析和實(shí)際電路變化對應(yīng)起來，以提高學(xué)生的認(rèn)識和理解。

傳感器在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用廣泛，在教學(xué)中只是講授傳感器的原理及功能，常常使學(xué)生感到迷茫，不知道學(xué)這些有什么用。通過Proteus軟件的使用，學(xué)生利用自己設(shè)計(jì)的電路將傳感器感知的非電量轉(zhuǎn)換成與被測量相關(guān)的電信號，根據(jù)學(xué)習(xí)的理論知識分析傳感器測量電路的性能，通過改變不同的參數(shù)，能直觀地觀察電路的輸出信號變化，這樣不僅加深了對理論學(xué)習(xí)的印象，更有益于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，如果設(shè)計(jì)的測量電路比較滿意，還可以利用該軟件很容易的設(shè)計(jì)出相應(yīng)的PCB電路板，焊接元器件后，就是一件很好的作品，使學(xué)生有設(shè)計(jì)的成就感。

三、 應(yīng)用實(shí)例

1. 光電式傳感器的Proteus仿真

以光電傳感器的教學(xué)實(shí)例來說明Proteus在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。光電式傳感器的工作原理是基于光電效應(yīng)，光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)（光電發(fā)射）和內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)）之分，利用外光電效應(yīng)工作的器件主要有光電管、光電倍增管等，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的器件主要是光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等[7]。這些都是常見的光電傳感器，其中以光電導(dǎo)式光電傳感器的應(yīng)用最為廣泛。

圖1是光敏電阻傳感器的仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)有光照射時，其電阻值降低，光照越強(qiáng)，阻值越小，其暗電阻一般為1MΩ，其亮電阻（當(dāng)光照為10lx時）一般為幾百歐姆到幾千歐姆。圖中，點(diǎn)擊光源左邊的上下箭頭可以改變光源與光敏電阻之間的距離，從而改變光源照射到光敏電阻上的光強(qiáng)。當(dāng)照射到光敏電阻上的光能量改變時，其產(chǎn)生的光電流隨之變化，從而在取樣電阻R1上產(chǎn)生不同的電壓。圖中光敏電阻產(chǎn)生的光電流為25μA，通過R1時產(chǎn)生的電壓降為2.5V，與電壓表測得的電壓相同。

如果采用實(shí)際的器件向?qū)W生演示該實(shí)驗(yàn)，將占據(jù)課堂大部分時間，而采用Proteus軟件制作的仿真電路，基本不占據(jù)課堂時間，又能結(jié)合光電效應(yīng)理論理論，加深學(xué)生對光電導(dǎo)效應(yīng)及其應(yīng)用的理解。

2. 熱電式傳感器的Proteus仿真

熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，熱敏電阻是最常用的一種熱電式傳感器。以下實(shí)驗(yàn)以鉑熱電阻PT100為例進(jìn)行仿真，其阻值會隨著溫度的變化而改變。PT100表示它在0℃時阻值為100Ω，在100℃時它的阻值為138.5歐姆。用供電電流為1.5mA的恒流源作為供電電源，設(shè)計(jì)一個單運(yùn)放查分放大電路，當(dāng)溫度為100℃時，輸出電壓為5V，仿真電路如圖2所示。

圖2所示的電路是一種熱敏電阻四線制的接法，通過該電路可以向?qū)W生演示熱敏電阻的測溫原理，以及熱敏電阻的四線制測量電路。當(dāng)然，通過Proteus軟件還可以方便的演示熱敏電阻的其他測量電路，如二線制、三線制測量電路。

四、結(jié)語

傳感器是一門應(yīng)用性比較強(qiáng)的課程，而理論教學(xué)又比較抽象，在教和學(xué)的過程中教師和學(xué)生都比較吃力。本文通過在理論教學(xué)的課堂中引入傳感器的Proteus仿真模型，使教師在講授傳感器理論的同時，配合傳感器仿真模型及相應(yīng)的測量電路，把傳感器的測量理論和實(shí)際設(shè)計(jì)、應(yīng)用結(jié)合起來，不僅能促進(jìn)課程和教學(xué)改革，而且能極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新能力，利用仿真軟件的便利性，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的理論展開豐富的實(shí)踐應(yīng)用。因此仿真軟件在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用值得廣大教師進(jìn)行研究和推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]張紅. 傳感器課程教學(xué)現(xiàn)狀分析與改革對策[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2010（3）：112-114

[2]劉曉旻，張曉芳等. 現(xiàn)代工程教育理念下的傳感器課程教學(xué)改革[J]. 中國電力教育，2010（8）：107-110

[3]周利，祝杰. 傳感器課程內(nèi)容革新及實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 中國電力教育，2013（2）：141-144

[4]黃偉，翟江輝. 虛擬儀器技術(shù)在傳感器及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 科技信息，2012（31）：266

[5]龍脈工作室. LabVIEW8.2中文版入門與提高[M]. 北京：人民郵電出版社，2010：3-5

[6]周潤景，等. 基于Proteus的電路及單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[M]. 北京：北航出版社，2010

[7]周靈彬，任開杰等. 基于Proteus的電路與PCB設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010

作者簡介：馮斌（1977-），男，河南滎陽人，西安工業(yè)大學(xué)光電學(xué)院，講師。