王元月

（紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江紹興， 312000）

MuItisim和LabVIEW聯(lián)合仿真在高職傳感器課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

王元月

（紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江紹興， 312000）

我院應(yīng)用電子技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等專業(yè)都開設(shè)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(yīng)用。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，傳感器教學(xué)中也引入了仿真技術(shù)輔助教學(xué)以提高教學(xué)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(shí)現(xiàn)傳感器技術(shù)的信息化教學(xué)。針對(duì)這一情況，提出了采用Multisim和LabVIEW聯(lián)合仿真來進(jìn)行傳感器的教學(xué)以提高教學(xué)質(zhì)量，完成教學(xué)目標(biāo)。Multisim和LabVIEW的引入進(jìn)一步完善項(xiàng)目教學(xué)法，改進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，并且有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，值得推廣。

傳感器教學(xué)；仿真技術(shù)；聯(lián)合仿真；Multisim；LabVIEW

0 引言

人類用五官感知各種信息，而智能機(jī)器依靠的是傳感器，它通過傳感器把信息轉(zhuǎn)換為便于處理的信號(hào)，然后再對(duì)其進(jìn)行分析處理。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)以及自動(dòng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果沒有傳感器將被測(cè)的原始信號(hào)進(jìn)行捕捉、采集和轉(zhuǎn)換，則無法完成自動(dòng)化檢測(cè)和控制[1-2]。高校自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化、電子、物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)都開設(shè)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(yīng)用。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，傳感器教學(xué)中也引入了仿真技術(shù)輔助教學(xué)以提高教學(xué)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(shí)現(xiàn)傳感器技術(shù)的信息化教學(xué)。針對(duì)這一情況，提出了采用Multisim和LabVIEW聯(lián)合仿真來進(jìn)行傳感器的教學(xué)提高教學(xué)質(zhì)量，完成教學(xué)目標(biāo)。

1 基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器仿真設(shè)計(jì)

電阻應(yīng)變片是一種利用應(yīng)變效應(yīng)把應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化成電阻值變化的傳感器，它廣泛用于工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)變力、扭矩、加速度、壓力等非電量的測(cè)量。在傳感器教學(xué)中，通過電子秤項(xiàng)目讓學(xué)生了解應(yīng)變效應(yīng)，掌握電阻應(yīng)變片的原理、測(cè)量電路及應(yīng)用。通過對(duì)電阻應(yīng)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(dǎo)入到multisim中進(jìn)行仿真操作。

1.1電阻應(yīng)變片模型建立

圖1 電阻應(yīng)變片仿真模型

圖2 電阻應(yīng)變片構(gòu)成的半橋單臂電路仿真

圖3 電阻應(yīng)變片構(gòu)成的全橋電路仿真

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

1.2測(cè)量電路

將電阻應(yīng)變片粘貼到構(gòu)件上，應(yīng)變片電阻將隨構(gòu)建應(yīng)變而改變，通常將應(yīng)變片接入直流電橋電路的橋臂，將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。把直流電橋中的其中一個(gè)橋臂用電阻應(yīng)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(shè)置了電位器用作調(diào)零，使得輸入為零時(shí)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(zhì)量10g時(shí)輸出電壓為149.991uV，符合理論分析結(jié)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(gè)橋臂都采用電阻應(yīng)變片仿真模型構(gòu)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(jié)果中，當(dāng)采用全橋電路時(shí)，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(cè)量電路仿真

全橋電路將應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，輸出電壓較小要經(jīng)過放大處理，放大電路需要較強(qiáng)的共模抑制比，電路由四個(gè)運(yùn)放構(gòu)成，A1和A2組成電壓跟隨器，而A3組成差動(dòng)放大器，A4構(gòu)成反相比例放大電路，測(cè)量電路仿真如圖4所示。滿量程（500g）輸入時(shí)電橋輸出是30mV，經(jīng)過放大器后輸出約為3V，可以配合后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)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(jié)果，因此需要在LabVIEW中設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)好的測(cè)量電路進(jìn)行仿真得到一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)算及推導(dǎo)得到所需要的重量與輸出電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系式，然后就可以進(jìn)行稱重裝置的顯示模塊的設(shè)計(jì)。表1是由仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括電阻變化量ΔR和輸出電壓Uo及其相對(duì)應(yīng)的要仿真的重物質(zhì)量m。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出結(jié)論：力的變化與輸入電壓的變化是成正比的，而且是線性關(guān)系。Y=kx，Y為輸出電壓，x為重量，系數(shù)k=6.17。

表1 檢測(cè)電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在LabVIEW中設(shè)計(jì)前面板并進(jìn)行相應(yīng)程序框圖的繪制，將設(shè)計(jì)好的LabWIEW導(dǎo)入至Multisim仿真軟件中，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 稱重顯示界面

2 聯(lián)合仿真在教學(xué)中的應(yīng)用

2.1改進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式提高學(xué)習(xí)效率

在傳感器教學(xué)中根據(jù)傳感器的工作原理設(shè)計(jì)了相應(yīng)的傳感器仿真模型，例如力傳感器金屬應(yīng)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(xué)生在Multisim仿真平臺(tái)上制作傳感器模型，自行設(shè)計(jì)傳感器測(cè)量電路，將傳感器接入后續(xù)的調(diào)理電路，然后使用平臺(tái)提供的測(cè)量儀器或者使用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試。學(xué)生通過對(duì)傳感器仿真模型的建立，測(cè)量電路的設(shè)計(jì)制作以及對(duì)電路的仿真測(cè)試操作，這一系列的學(xué)習(xí)過程使學(xué)生對(duì)傳感器的工作原理和性能有了深刻的認(rèn)識(shí)，掌握了傳感器的測(cè)量電路，信號(hào)的處理以及傳感器的應(yīng)用。傳感器教學(xué)過程中采用Multisim和LabVIEW聯(lián)合仿真改進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，從而促進(jìn)了學(xué)生的有效學(xué)習(xí)。

2.2進(jìn)一步完善項(xiàng)目教學(xué)法

我院應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的傳感器課程采用項(xiàng)目化式教學(xué)，將教學(xué)內(nèi)容融入項(xiàng)目中，引導(dǎo)學(xué)生項(xiàng)目的實(shí)施和項(xiàng)目的完成。傳感器教學(xué)內(nèi)容分為六個(gè)項(xiàng)目項(xiàng)，目中的每個(gè)任務(wù)主要分為確定任務(wù)、制定計(jì)劃、進(jìn)行決策、實(shí)施任務(wù)、檢查評(píng)估五個(gè)步驟。引入multsim和LabVIEW聯(lián)合仿真后，學(xué)生設(shè)計(jì)的電路可以先用multsim和LabVIEW進(jìn)行檢測(cè)，如有問題修改電路直至電路仿真運(yùn)行成功，這樣使得學(xué)生的任務(wù)完成情況和自我評(píng)價(jià)變得直觀。學(xué)生將設(shè)計(jì)的電路仿真成功后再實(shí)施電路的實(shí)物制作，這就提高了學(xué)生制作電路的成功率，從而也幫助學(xué)生樹立了自信心，學(xué)生自信心增強(qiáng)了對(duì)學(xué)習(xí)的興趣也提高了，進(jìn)入了一個(gè)良性的循環(huán)，對(duì)項(xiàng)目的完成有很大的促進(jìn)作用。例如，在實(shí)施鹽欲爐溫度的檢測(cè)的任務(wù)時(shí)，首先讓學(xué)生對(duì)測(cè)溫傳感器熱電偶進(jìn)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(xù)的測(cè)量電路進(jìn)行仿真調(diào)試，在調(diào)試過程中使用各種虛擬儀器對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果修改調(diào)整電路參數(shù)確定項(xiàng)目方案，最后再制作實(shí)際電路。

2.3有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

創(chuàng)新是真正意義上的超越，學(xué)會(huì)開放性思維、學(xué)會(huì)創(chuàng)新是當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)該學(xué)會(huì)的一種能力[3]。現(xiàn)在的大學(xué)生從小學(xué)、中學(xué)到高中大多是被動(dòng)接受老師機(jī)械的灌輸，很少會(huì)有自己獨(dú)立思考的空間，這就限制了學(xué)的創(chuàng)新性思維，阻礙創(chuàng)新能力的發(fā)展。在傳感器教學(xué)中引入Multisim和LabVIEW聯(lián)合仿真，學(xué)生可以使用LabVIEW設(shè)計(jì)個(gè)性化的顯示模板，這不僅使學(xué)生進(jìn)一步的掌握傳感器信號(hào)的處理，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生也可以使用LabVIEW采集卡采集真實(shí)傳感器的信號(hào)，并把這些信號(hào)保存起來作為Multisim電路的輸入激勵(lì)信號(hào)，輸入信號(hào)源可由學(xué)生自行設(shè)計(jì)，學(xué)生根據(jù)自己的喜好設(shè)計(jì)具有個(gè)人特色的面板，學(xué)生的想象空間得以充分的發(fā)揮，想象是創(chuàng)造的翅膀，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中最大限度的發(fā)揮自己的想象力，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3 結(jié)論

它可幫助學(xué)生在整個(gè)工程和理論課程學(xué)習(xí)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(shè)計(jì)以及調(diào)試的方法，而LabVIEW可以構(gòu)建虛擬儀器以替代實(shí)際的儀器完成電測(cè)試、測(cè)量及顯示任務(wù)。將Multisim和LabVIEW聯(lián)合仿真的引入傳感器教學(xué)進(jìn)一步完善項(xiàng)目教學(xué)法，改進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，同時(shí)有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

[1]韋青燕,張?zhí)旌?基于Multisim的恒壓型熱線風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)電路仿真分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),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(shè)計(jì)建設(shè)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)2008,29（8）:585-587.

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

圖1 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如上圖所示，由電動(dòng)機(jī)、壓電式加速度傳感器、電荷放大器、NI數(shù)據(jù)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(gòu)成，其特性為遭受外力后會(huì)在表面產(chǎn)生電荷。

2.2.2 電荷放大器

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用KD5018型雙積分電荷放大器，可以將輸入的電荷量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓量進(jìn)行輸出。該型電荷放大器與壓電式加速度傳感器配合時(shí)，可以對(duì)機(jī)械振動(dòng)中的加速度量進(jìn)行測(cè)量，在機(jī)械、化工、航天等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集卡

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用NI公司生產(chǎn)的9205采集卡。

2.2.4 激光振動(dòng)測(cè)量儀

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的激光振動(dòng)測(cè)量儀，可以直接測(cè)量并輸出振動(dòng)速度量。

3 測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理

3.1測(cè)試方法

3.1.1 振動(dòng)速度的間接測(cè)量方法

本實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)速度的間接測(cè)量方法為加速度一次積分測(cè)量法。加速度一次積分測(cè)量法，是當(dāng)前振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域較為成熟的一種方法。其測(cè)試系統(tǒng)的性價(jià)比較高，對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求較低，系統(tǒng)的搭建、使用十分簡便，測(cè)試數(shù)據(jù)后期的處理方法也十分成熟。

3.1.2 振動(dòng)速度的直接測(cè)量方法

本實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)速度可以由激光振動(dòng)測(cè)量儀直接測(cè)出。

3.2數(shù)據(jù)處理

3.2.1 振動(dòng)加速度信號(hào)的處理

實(shí)驗(yàn)過程中所測(cè)得的振動(dòng)加速度信號(hào)，應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并消除直流分量。消除直流分量之后的信號(hào)還應(yīng)進(jìn)行濾波處理，濾波的方法有兩種：數(shù)字頻域?yàn)V波、時(shí)域?yàn)V波。本實(shí)驗(yàn)中采用數(shù)字頻域?yàn)V波。

a 消除直流分量

濾波之前，首先要消除加速度信號(hào)中所包含的直流分量，消除直流分量的方法：先求出N個(gè)采樣數(shù)據(jù)的平均值，然后將各采樣值進(jìn)行減去平均值的處理，所得數(shù)據(jù)即為消除直流分量之后的值。

b 數(shù)字頻域?yàn)V波

在積分之前，還要對(duì)消除直流分量之后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，本實(shí)驗(yàn)中采用基于FFT變換的頻域?yàn)V波。

c 進(jìn)行數(shù)字積分

對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行直接數(shù)字積分，得到初步的振動(dòng)速度信號(hào)。數(shù)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(shì)項(xiàng)

振動(dòng)測(cè)試過程中，受到外界環(huán)境溫度變化以及其他干擾的影響，傳感器會(huì)產(chǎn)生零漂、低頻性能不穩(wěn)定等現(xiàn)象。振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)因而往往發(fā)生偏離基線的現(xiàn)象，并且偏離基線的程度還會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就是趨勢(shì)項(xiàng)。趨勢(shì)項(xiàng)是干擾量，需要消除，常用的方法為最小二乘法。

對(duì)所得到的初步振動(dòng)速度信號(hào)，進(jìn)行消除趨勢(shì)項(xiàng)處理，即可得到可用的速度信號(hào)。

3.2.2 振動(dòng)速度信號(hào)的處理

由于激光振動(dòng)測(cè)量儀所輸出的信號(hào)即為速度信號(hào)，無需再進(jìn)行其他處理，可直接應(yīng)用。

3.2.3 振動(dòng)烈度計(jì)算

振動(dòng)烈度是反應(yīng)機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)的簡明特征量，在以上數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行振動(dòng)烈度的時(shí)域和頻域計(jì)算。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)測(cè)試的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了介紹。通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以綜合性的掌握機(jī)械振動(dòng)的機(jī)理、振動(dòng)測(cè)試的原理、信號(hào)采集的方法以及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]盧建霞，屠大維，趙其杰，許爍.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2015（04）：183

[2]彭軍強(qiáng)，于鴻彬，靳曉曙.機(jī)床振動(dòng)的計(jì)算機(jī)測(cè)量綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息.2015（35）：158

[3]賀妍，馬維金，劉迎各，張紀(jì)平.基于時(shí)頻特征提取與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的齒輪箱故障診斷[J].機(jī)電信息.2016（12）：68

作者簡介

王立標(biāo)（1983-），男，漢族，浙江臺(tái)州，講師，主要從事機(jī)電動(dòng)力學(xué)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(jié)人。講師，碩士，主要從事電源技術(shù)及智能控制方向的研究。

浙江省教育科學(xué)規(guī)劃研究課題（2016SCG147）