Multisim在傳感器實驗教學中的應用

摘要：一直以來，傳感器實驗教學普遍采用實驗室的教學方式，高度依賴實驗室和固定的實驗電路。雖然實驗室教學有諸多優點，但是實驗教學過于依賴實驗室，缺乏靈活性。Multisim是一款專業的電路仿真軟件，主要用于模擬電路和數字電路仿真。目前，運用Multisim軟件對傳感器實驗電路進行仿真并未被廣泛使用，Multisim軟件的引入可以使傳感器實驗教學更加靈活、便捷。通過應變式電阻傳感器和差動變壓器電路的仿真，驗證了傳感器原理和相應測量電路的正確性，證明了基于Multisim的傳感器實驗教學是一種行之有效的教學方式，仿真實驗可以作為傳感器實驗室教學方式的補充。在不具備傳感器實驗室的院校，傳感器仿真實驗可以作為首選的實驗教學方式。同時，仿真實驗也可以增加學生對傳感器原理的理解。

關鍵詞：Multisim; 傳感器; 仿真實驗; 傳感器教學

中圖分類號：TP212文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.16735862.2023.04.009

Application of Multisim in experimental teaching of sensor

ZHOU Bo， CHEN Xiuyan， WU Di， CHEN Lanfeng

（College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：For a long time， the sensor experiment teaching generally adopts the laboratory teaching method， relying on the laboratory and the fixed experimental circuit. Although the laboratory teaching has many advantages， the experimental teaching is too dependent on the laboratory， lack of flexibility. Multisim is a professional circuit simulation software， mainly used for analog and digital circuit simulation. Multisim is not widely used in the design and simulation of sensor experimental circuit， and the introduction of Multisim software will make sensor experiment teaching more flexible and convenient. Through the simulation experiment of strain type resistance sensor and differential transformer circuit， the correctness of sensor principle and measurement circuit is verified， and the sensor experiment teaching based on Multisim is an effective teaching method. The sensor simulation experiment based on Multisim can be used as a supplement to the laboratory teaching. In colleges and universities without sensor laboratory， sensor simulation experiment can be regarded as the preferred experimental teaching method. At the same time， the simulation experiment also increases students understanding of sensor principle.

Key words：Multisim; sensor; simulated experiment; sensor teaching

傳感器是人類認識自然和改造自然的有力工具，可以用來檢測微觀世界與宏觀世界［12］。傳感器通過模擬/數字電路將被測的非電量（物理量、化學量、生物量等）按照一定規律轉換成電信號。“傳感器原理及應用”是大專院校電子信息專業、測控技術及儀器專業的一門重要專業課，傳感器實驗教學是其重要的組成部分。目前，傳感器實驗教學廣泛采用廠家定制的傳感器教學實驗儀器作為主要教學手段，存在一定的局限性： 1）實驗平臺的傳感器測量電路結構相對固定，缺乏靈活性; 2）完全依賴實驗室、實驗平臺［3］; 3）傳感器實驗室建設需要較大的資金投入。基于以上原因，采用虛擬仿真實驗完成對傳感器電路的設計具有一定優勢。

用于傳感器仿真的軟件主要有MATLAB（matrix laboratory）， Proteus， Labview， Multisim。MATLAB適用于傳感器系統的動態特性設計與傳感器實驗的數據處理，例如分析系統的傳遞函數、幅頻特性、相頻特性等;Proteus擅長基于單片機為核心的系統構建，可用于模擬前端、數字電路及后級微處理器的運算與控制等完整系統的設計與仿真;Labview作為虛擬儀器軟件，主要用于數據采集與分析、上位機顯示等應用開發;Multisim更適合于電路參數的精準分析與仿真，可用于傳感器測量電路設計和參數的確定。

Multisim是美國國家儀器有限公司開發的電子線路仿真與設計軟件。該軟件主要用于模擬、數字電路的仿真及電路板的設計與制作［46］，它具有以下特點：

1） 具有電路原理圖的輸入方式和硬件描述語言的方式;

2） 具有豐富的電子元件庫，包含信號發生器、模擬電路元件庫、數字電路元件庫等;

3） 具有豐富的測試儀器，如萬用表、示波器、功率計、頻譜分析儀、網絡分析儀、掃頻儀等;

4） 具有強大的仿真分析能力，包含瞬態分析、傅里葉分析、直流工作點分析、交流分析、直流掃描分析等。

將Multisim作為傳感器實驗教學工具，可以提供一種更為靈活的教學手段［79］。本文以應變式電阻傳感器和差動變壓器為例，采用Multisim 14.0仿真軟件進行仿真設計與驗證。

1應變式電阻傳感器

金屬絲式應變式電阻傳感器是利用金屬材料的應變效應來工作的［10］，即利用被測體的機械形變引起應變片阻值發生變化。這種變化可直接用于形變量的測量，可用于力、加速度、質量等非電量的測量［11］。由于形變引起應變片阻值的變化是微弱的，需要使用專用的測量電路將其轉換為電壓信號，通常采用的是電橋電路，電橋電路的輸出還需經過放大器放大等處理，再通過對單臂電橋和差動電橋電路進行仿真，分析單臂電橋和差動電橋的特性。

1.1工作原理

應變式電阻傳感器電阻阻值R=ρL/A，其中ρ為電阻率，L為金屬電阻絲長度，A為金屬電阻絲截面積。當受到外力作用時，金屬應變片產生機械形變，進而引起電阻阻值發生變化，其變化關系如公式（1）所示：

dRR=（1+2μ）dLL+dρρ≈（1+2μ）ε（1）

其中：dR/R為電阻的相對變化量;μ為泊松系數;dL/L=ε為相對形變量;dρ/ρ為電阻率的相對變化率，對金屬材料來說，電阻率相對變化量比較小，可以忽略不計。金屬應變片主要材料為康銅，形變引起電阻阻值的變化較小，通常小于1Ω。

1.2應變式電阻傳感器測量電路

應變式電阻傳感器主要測量的電路是電橋電路［12］。電路結構根據每個橋臂粘貼應變片的方式可以劃分為單臂電橋、差動半橋和差動全橋。相對于單臂電橋，差動半橋和差動全橋具有更大的靈敏度和更優良的線性度。單臂電橋電路如圖1所示，其中R1為電阻傳感器。直流差動半橋電路如圖2所示，其中：R1，R2為電阻傳感器組成的差動結構;R3，R4為普通電阻;UO為電橋輸出。

當R1/R2=R3/R4=n，UO=0時，電橋平衡。選擇R1=R2=R3=R4=R，若應變片R1產生ΔR的變化，單臂電橋的輸出為公式（2）所示，當ΔRR1時，忽略分母的ΔR/R1得到最后的近似結果。差動半橋輸出如公式（3）所示。由公式（3）可知單臂電橋存在非線性誤差，差動電橋沒有非線性誤差。

UO=R4R3·ΔR1R11+ΔRR1+R2R11+R4R3E≈E4·ΔRR（2）

UO=E2ΔRR（3）

1.3儀表放大器電路

由外界應力引起的應變電阻阻值的變化，經過電橋輸出后需要進一步放大，儀表放大器電路如圖3所示，由U3，U4，U5三運放組成儀表放大器，儀表放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗并且差分輸入的特性。

Ui經過放大后得到最終輸出UO，UO與Ui的關系如公式（4）所示。代入R5=10kΩ，R6=20Ω，R10=R8=100Ω，得到UO=1000Ui。

Uo=Ui1+2R5R6R10R8（4）

1.4仿真與分析

單臂電橋采用圖1所示結構，R2=R3= R4=100Ω，為普通電阻。R1=100Ω，為應變式電阻傳感器。采用5V直流電源，通過改變應變電阻傳感器ΔR的值模擬傳感器的變化，電橋輸出再經過儀表放大器得到最后的輸出，仿真結果見表1。

差動半橋采用圖2所示結構， R3= R4=100Ω，為普通電阻，R1=R2=R=100Ω，為應變式電阻傳感器，組成差動結構，當R1增加ΔR時，R2同時減少ΔR。電橋輸出后再經過儀表放大器得到最后的輸出，仿真結果見表2。

從仿真數據可以看出，理論值與仿真值存在一定誤差，但誤差較小，說明仿真良好，仿真值可以很好地反映應變電橋及放大器的輸入輸出特性關系。從圖4還可以看出，差動半橋的靈敏度大約是單臂電橋的2倍，輸入輸出都具有較好的線性度。產生誤差的主要原因是仿真會受到電阻精度和運算放大器的影響，這也反映了仿真的真實性。

2差動變壓器式互感電感傳感器

差動變壓器式互感電感傳感器是將被測量的變化轉換為變壓器初級線圈和次級線圈互感系數的變化［1314］，其主要用于測量位移量及位移的相關量。如圖5所示，銜鐵產生上下移動，引起互感系數M1和M2發生改變，互感電動勢U1，U2隨之發生變化。

差動變壓器的輸出電壓由公式（5）所示：

UO=-jω（M1-M2）UiRp+jωL1（5）

式中：ω為激勵電壓角頻率;Ui為激勵電壓;UO為差動變壓器輸出;M1，M2為初級次級線圈的互感系數。

2.1差動變壓器測量電路

差動變壓器測量電路采用全波差動整流電路（圖6）。差動變壓器2個次級線圈的輸出電壓U1，U2分別經過2個全橋進行全波整流后得到U3，U4，輸出UO= U3-U4。

電壓源采用1kHz，10V的交流激勵電壓。由于Multisim軟件主要用于電路仿真［1517］，元件庫所帶的傳感器較少，沒有差動變壓器，因而采用普通變壓器替代差動變壓器。通過改變初級次級線圈的匝數比模擬銜鐵上下移動的過程。變壓器源邊線圈匝數為n1，次級線圈匝數分別為n2和n3。例如，當線圈匝數比n1∶n2∶n3=10∶5∶5時，模擬銜鐵處于中心位置，其他以此類推。

2.2全波差動整流電路仿真與分析

根據線圈不同的匝數比模擬得到不同的銜鐵位置作為輸入，UO=U3-U4作為輸出得到測量數據（表3）。從圖7差動變壓器的特性曲線可以看出，輸入輸出呈良好的線性關系，電路能夠較為理想地模擬差動變壓器，并驗證測量電路的正確性。全波差動整流電路由于二極管正向飽和壓降的影響，會導致測量信號有一定程度的衰減。

3結語

將電路仿真軟件Multisim引入傳感器實驗教學中，可以為傳感器實驗教學提供有力補充。由于實驗題目不拘泥于實驗室現有設備，增加了教學的靈活性。限于篇幅，以上僅以2個仿真案例作為說明，教師在教學中可以根據教學內容增加實驗題目。近年來，線上課堂被廣泛使用，傳感器實驗教學需要一種脫離實驗室的實踐方式，基于Multisim的仿真實驗可以發揮重要作用。Multisim沒有被廣泛用于傳感器實驗教學的主要原因是器件庫里傳感器元件較少，因而無法對傳感器自身特性進行仿真驗證。利用傳感器的電路參數構建傳感器模型，可以為傳感器仿真教學另辟蹊徑。

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