仿真技術在傳感器實驗教學中的應用研究*

梁志勛，阮 忠，易云飛

（河池學院 計算機與信息工程學院，廣西 宜州 546300）

一、引言

傳感器技術、通信技術和計算機技術被稱為信息系統的三大關鍵技術[1]，《傳感器原理與應用》是高校電子信息類專業的必修課程，是一門實踐性很強的課程，實驗教學環節是該課程的重要教學環節[2-3]。目前開設有電子信息類相關專業的高校基本建設了相對應的傳感器原理實驗室，來完成對應的實驗教學。當前傳感器原理實驗室基本以成套的硬件設備為主，基本上能夠滿足原理驗證性實驗教學的要求[4]，但是這樣的實驗教學方式難以激起學生的學習興趣，調動學生學習的能動性，并且缺乏設計性實驗，難以滿足培養創新性人才的需求。在教育部大力倡導利用虛擬仿真技術促進高等教育教學的時代背景下，利用仿真技術，在教學中為學生創造一個良好的學習實踐條件，讓學生在直觀的環境中觀察和分析問題，有助于提髙學習興趣和積極性，是目前高等教育教學在培養創新性和應用型人才問題上熱點討論的問題[5-6]。近些年，河池學院在《傳感器原理及應用》實驗教學中，堅持以培養創新性和應用型人才為目標，進行了實驗教學的改革，利用MATLAB、Multisim和Proteus仿真技術，在實驗教學中進行應用研究和相關實驗設計，取得了較好的教學效果。

二、傳感器的動態特性實驗設計

在傳感器原理教學中，系統的一、二階響應是學生較難理解的部分，要進行實驗教學更加困難，我校利用MATLAB仿真技術進行實驗教學，取得了較好的教學效果，不但加強了學生對傳感器系統響應原理的理解，而且極大提高了學生對傳感器原理學習的興趣。

1.傳感器一階系統實驗

傳感器一階系統傳遞函數和階躍信號、正弦信號的拉氏變換分別為[7]：

根據公式1、2可得系統一階躍響應和頻率響應分別為：

通過利用 MATLAB 中的“step”和“bode”函數仿真一階傳感器系統的階躍響應和頻率響應特性。改變傳遞函數中的時間常數τ，觀察其階躍響應和頻率響應特性的曲線，學生通過直觀的實驗現象來深入理解傳感器系統的時間常數τ和階躍響應及頻率響應特性之間的關系。

傳感器一階系統實驗仿真例子如圖1所示，圖1（a）為一階傳感器系統的時間常數τ分別為2、5、10時的階躍響應特性。由圖中曲線可直觀看出，時間常數τ越小，其階躍響應特性越好。圖1（b）為傳感器一階系統的時間常數分別為τ等于0.1、0.01、0.001時的頻率響應特性，由圖中曲線可直觀看出，時間常數τ越小，其頻率響應特性越好。在實驗過程中要求學生設置不同的實驗參數，得出實驗結論，通過本次實驗，深入理解傳感器一階系統的階躍響應和頻率響應特性。

圖1 傳感器一階系統的階躍響應和頻率響應特性

2.傳感器二階系統實驗

傳感器的二階系統傳遞函數為[8-9]：

利用公式2、3中的階躍信號和正弦信號的拉氏變換，分別可以得到傳感器二階系統的階躍響應和頻率響應為：

通過利用 MATLAB 中的“step”和“bode”函數仿真二階傳感器系統的階躍響應和頻率響應特性。改變傳遞函數中的時間常數τ、w，觀察其階躍響應和頻率響應特性的曲線，學生通過直觀的實驗現象，深入理解傳感器系統的時間常數τ和階躍響應及頻率響應特性之間的關系。

傳感器二階系統實驗仿真例子如圖2所示，圖2（a）為二階傳感器系統的阻尼系數ξ分別為0、0.5、0.6、1、1.5時系統的階躍響應特性，由圖中曲線可直觀看出，當系統的固有頻率為常數時，阻尼系數ξ為0.6-0.8之間時，響應時間較短，過沖不大。圖2（b）為傳感器二階系統的阻尼系數 ξ分別等于 0.1、0.2、0.6、1.0、1.5 時的頻率響應特性，由圖中曲線可直觀看出：①當ξ小于1，且輸入信號頻率小于系統固有頻率時，輸出幅值接近出入幅值。但是當輸入信號頻率大于固有頻率時，幅值有一定的增益；②當ξ大于1，輸出信號的幅度隨著輸入信號的頻率變大迅速衰減。因此可得出結論，ξ為0.6-1.0之間時，幅頻特性較好，且相頻特性也較線性。在實驗過程中要求學生設置不同的實驗參數，得出相對應的實驗結論，使學生深入理解傳感器二階系統的階躍響應和頻率響應特性。

圖2 傳感器二階系統階躍響應和頻率響應特性

三、利用Multisim進行電橋電路實驗

傳感器系統的前端信號采集電路中通常采用四橋臂電橋對微弱信號進行轉換，根據供電電源形式可分為直流電橋和交流電橋，也可以根據接入電橋的傳感器數量分為單橋、半橋和全橋。Multisim是由美國國家儀器公司提供的一套完整電路原理設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件及方案[10-11]，具備功能強大的模擬電路仿真能力，非常適用于傳感器的電橋電路仿真實驗[12-13]。

如圖 3 中的圖（a）、（b）、（c）所示，在直流電橋電路中，學生分別通過改變電路中的可調電阻，利用虛擬電壓表測量電橋的輸出電壓，可以直觀得出單橋、半橋和全橋的電壓輸出，進一步對三種電路的特性進行比較。在交流電橋電路中，如圖3中的圖（d）所示，利用虛擬示波器探測交流電橋電路的輸出波形，當改變電容C1的容值大小時，信號逐漸增大，電橋的輸出波形如圖4所示。通過測試和分析，深入理解交流電橋在電容式傳感器中應用的工作原理。

圖3 直流和交流電橋電路仿真

圖4 交流電橋仿真波形圖

四、利用Proteus進行各類傳感器實驗

Proteus仿真軟件是英國Labcenter Electronics公司于1989年開發的一款廣泛應用于電子電路和單片機系統的仿真軟件[14-15]。該軟件不僅可以對電子電路和單片機系統進行仿真測試，還提供了大量的傳感器仿真元件[16-18]，可以完成電阻式、電容式、光電、溫濕度等多種傳感器實驗。

如圖5所示，仿真軟件器件庫提供了多種傳感器仿真元件，從左至右依次分別為熱電偶、PTC溫度傳感器、MPX4115集成壓力傳感器、LDR光敏電阻、光電二極管。按照課程的教學需要，選取對應的傳感器元件，可以進行詳細的傳感器實驗項目設計，也可以安排學生結合該軟件器件庫給出的單片機等其它器件，進行綜合性的傳感器課程設計，進一步提高學生的綜合設計能力。

圖5 Proteus軟件庫傳感器仿真元件

五、結束語

目前《高校傳感器原理及應用》實驗教學采用單一硬件儀器設備進行原理驗證性實驗方式，由于設備陳舊或實驗耗材缺乏等原因，使得該方式難以滿足多樣化設計性實驗需求，難以激起學生的學習興趣，不能充分調動學生學習的主觀能動性。而利用仿真技術，不但在缺乏實驗耗材的情況下依然能夠正常進行實驗教學，并且仿真軟件能夠實時對仿真器件庫進行更新。同時也方便學生課后在實驗室外自行設計感興趣的實驗內容，充分調動學生學習積極性，有效提高了該門課程的教學效果。通過我校對該門課程實驗教學改革的實踐，利用仿真技術和硬件儀器設備教學相結合，取得了很好的教學效果，歷年學生參與全國大學生電子競賽分別取得多項一等獎和二等獎的好成績。