傳感器技術虛擬仿真研究與應用

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0189-04

Abstract：Broadcastingisoneofthebasicissuesinwirelesssensornetworks，anditseficiencydirectlydeterminesthe performanceofmanyhigh-levelappicationsandprotocols.Inordertostrengthenthesensingabilityofbroadcastsensorsin practicalaplicationsandimprovethelevelofsensorperformanceevaluationandreasonableselection，thisresearchadoptsvirtual simulationtechnologypliesmaturesoftwaresystems，selectsanddjustsdiferentvirtualinstrumentstosimulateteoutputof sensors，andutiliestherichcomponentlirariesandvirtualinstrumentsinthesoftwaretosimulatetheentireireuitinsoftware， modifytheparametersof interest，andanalyzetheirimpactonthemeasurementresults，therebyenhancingtheabilitytosolvethe complex problem of broadcast signal transmission.

Keywords： sensor; virtual simulation; component; data processing; broadcast signal

物聯網技術飛速發展促使無線傳感器應用于國民生產的各領域。然而，傳統無線傳感器技術存在信息篡改、隱私泄漏等安全性，以及功耗壽命、通信穩定、維護成本等諸多安全隱患。基于此，虛擬無線傳感器網絡技術應運而生。虛擬無線傳感器網絡的核心技術為虛擬化，包括網絡級虛擬化和節點級虛擬化，目前其在網絡資源共享方面的優勢，以及在廣播電視、環境監測、工業控制、智能交通等各領域的應用已廣泛開展，特別是在降低傳感器網絡通信成本及路由器的復雜程度方面廣為消費者接受[-5]。本研究應用虛擬仿真技術對復雜傳感器進行改進，并通過限制廣播域，大范圍降低多跳同步的通信成本開銷。

1相關研究

1.1 虛擬仿真項目設計

內容涵蓋典型傳感器原理驗證、電路設計、性能評價與選型及綜合應用，主要包括：電路基礎與功能驗證、系統設計與綜合應用、數據處理與性能評價等

方面，具體如圖1所示。

基于Multisim、Proteus、LabVIEW等電路仿真軟件和MATLAB等數據處理軟件，搭建傳感器技術與應用虛擬仿真系統。利用專業軟件，對所需的各項目進行電路設計與實驗模擬場景設計，開發仿真或聯合仿真系統并測試。虛擬仿真系統包括電路仿真模塊、數據采集模塊、數據分析與處理模塊、前面板顯示模塊和報表輸出模塊等。系統模塊組成及功能如圖2所示。

1.2 虛擬仿真模塊

1.2.1 應變直流全橋電子稱

電阻應變片是一種用于測量應變的傳感器元件，它能將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化。在傳感器內容的教學中，通過電子稱可分析其應變效應，進而掌握電阻應變片的基本原理、測量電路的方法及應用技術。傳統操作基于CSY998型傳感器開展，通過其調理面板上留有的電路端子插孔進行連線，具體的電路內嵌在試驗儀內，影響對具體原理的理解。為此，我們基于對電阻應變片的基本原理解析，在Mul-虛擬工程平臺中建立重量顯示界面，應用于應變直流tisim電路設計與仿真軟件中建立模型，在LabVIEW 全橋電子稱的虛擬仿真實踐[7-8]。

圖1虛擬仿真項目設計

圖2虛擬仿真系統模塊及功能

首先，搭建如圖3所示的電阻應變片構成的全橋電路，并進行全橋電路的調零。其中，虛線框中壓控電阻模擬應變片在受力時產生的電阻值變化 ΔR ，電源電壓 V ，質量 ?_m ，單位 kg 。調零時，電壓 V 設為0，調節滑動變阻器使得方用表顯示輸出電壓為0。然后，搭建如圖4所示的電子稱測量電路，即在全橋電路的基礎上進一步連接放大電路，并進行放大電路調零。最后，開展稱重虛擬仿真實驗，改變應變片模型中的電壓，記錄測量電路的電壓輸出，以仿真不同質量的重物作用下，電子稱的輸出。第三步，根據記錄的輸入、輸出數據，可以標定傳感器輸入輸出特性，根據標定后的特性，在LABVIEW程序框圖中選擇相應的輸入控件并連接，運行后生成如圖5所示的虛擬電子稱前面板。

1.2.2 反射式光纖位移傳感器虛擬仿真

采用傳光型光纖位移傳感器，圖6（a）為反射式光纖測振傳感器的工作原理，光源經過發射光纖射向被測物的表面" " 經反射面形成發射錐體" " 接收物表面反射，傳輸至光電探測器" " 光信號轉換為電信號" " 處理電信號。因為光電探測器接收到的光強大小會隨被測物表面和光纖距離的變化而變化，所以通過測量電信號可測量其位移[10]。

圖3電阻應變片構成的全橋電路仿真

由于虛擬仿真實驗中光源并非為可見光，光強隨位移的變化無法直觀觀察，上述原理可能覺得較為抽象。為此，我們基于發射式光纖位移傳感器的原理，設計如圖6（b）所示的光纖位移傳感器虛擬仿真模型，與原基于實驗臺的虛擬仿真相結合，開展虛擬仿真實驗。

圖4應變直流全橋電子稱測量電路仿真

圖5虛擬電子稱前面板顯示

首先，仿真光源在自由空間中的傳播，以直觀理解光的傳播。發光二極管所發出的光以高斯光束傳播。我們利用電磁波時域有限差分方法（Finite-Dif-ferenceTime-Domain，FDTD），編寫MATLAB程序，并通過MATLAB強大的繪圖功能，顯示光源傳播過程中的光場分布。

圖6反射式光纖位移傳感器

其次，在理解光傳播過程的基礎上，基于仿真模型，仿真反射式光纖位移傳感器工作過程中，在不同位移 d 情況下的光場分布，可以直觀地比較不同位移情況下反射光纖中的光場強度變化情況。 d 為0時，反射光纖中的光場強度幾乎為零，隨著 d 的增加，反射光纖中的光場強度先增大后減小。這樣的規律與實驗所測得的特性（如圖7（a）所示）是一致的。另外，由圖8可知，反射光纖中的光場強度很弱，經光電探測器得到電壓也必定很小，這樣的認識也有助于理解為何需將光纖傳感器的輸出接差動放大器放大后再接電壓表（如圖7（b）所示）測量。

圖7CSY-998型傳感器實驗儀光纖位移傳感器

1.2.3 數據處理與性能評價實驗

結合NTC熱敏電阻特性和Y型光纖位移特性開展數據處理與性能評價虛擬實驗，其數據采集可以直接獲取軟件仿真實驗數據，也可以通過數據采集卡獲取硬件平臺實驗數據。基于采集的實驗數據，通過MATLAB軟件平臺進行數據處理，分析傳感器的靈敏度、線性度、遲滯、重復性等特性。以Y型光纖位移傳感器為例，對采集的數據繪圖可得如圖8所示特性曲線，應用中通常以線性度較好的“前坡”區域。通過MATLAB編程可求其靈敏度、非線性誤差等性能參數，既訓練了數據處理能力，又提高了科學評價傳感器性能的能力。

2 結論

有關無線傳感器網絡的研究已廣泛開展，特別是在路由協議、網絡拓撲控制、時間同步、數據融合、定位技術，以及操作系統等領域。無線傳感器網絡采集到的監測數據可以成為廣播信息系統的基礎數據，而廣播信息系統也可以通過其中的各部分組件對其進行分析、管理、跟蹤、協調和控制。傳感器網絡會產生大量的信息并傳遞給廣播信息系統，利用這一特點，對廣播信息系統的數據更新和算法進行分析和研究，可以減少使用者在獲取數據時所花費的時間，提升數據更新效率。另外，當廣播信息系統的用戶數量增多時，用戶數據查詢請求必然隨之增多，傳統的數據調度方式也會浪費大量帶寬，深入研究不同數據請求類型，設計更有效的算法，應對海量用戶請求，節約帶寬，最終提高系統服務質量[11-12]。

本研究采用虛擬仿真技術，對廣播信號傳導復雜傳感器技術進行研究，相比傳統方法，具有較強的直觀性和體驗性、激發性，工作人員對硬件設計的畏難情緒得到較大程度降低；同時，通過生動形象的虛擬仿真應用，工作人員對傳感器的工作原理與工作特性的認識與理解程度得到提高，并清楚其物理意義，能夠與實際應用建立聯系；另外，通過虛擬仿真技術應用，工作人員參與到了傳感器設計與開發及應用的具體流程中，能夠獨立使用相關工程軟件，掌握相關技術方法，傳感器設計與開發及應用能力也得到較大程度提高。而且，能夠方便地進行數據分析、對比并得到合理的結論，從而進一步指導傳感器及物聯網感知系統硬件建設和使用。

圖8CSY-998型試驗臺Y型光纖位移傳感器特性

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