王巧蘭,　林育茲

(廈門大學(xué) a 嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105;b 航空航天學(xué)院， 福建 廈門 361005)

0　引　言

《傳感器與檢測技術(shù)》是我校機(jī)械電子、車輛工程、電氣工程及自動(dòng)化、電子工程、通信工程、自動(dòng)化等工科專業(yè)的必修課，也是一門理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的專業(yè)課程。隨著智能化儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，越來越凸顯出傳感器在工程應(yīng)用的重要性。在傳感器實(shí)驗(yàn)中，由于時(shí)數(shù)等因素限制，易造成學(xué)生操作不當(dāng)而損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，也存在一些按部就班連線的現(xiàn)象，難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果[1-4]。從學(xué)生反饋信息表明，其主要原因是傳感器教學(xué)內(nèi)容過于抽象，在有限時(shí)間和空間下，對理論知識(shí)難以深入理解，同樣對實(shí)驗(yàn)技能也就難以有效掌握。

本文以霍爾傳感器的指南針仿真為例展開描述，將較抽象的傳感器原理和測試電路原理形象化、可視化。其他類型的傳感器也采用此方法進(jìn)行建模仿真，從而提高教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的效果。

1　開發(fā)工具框架

傳感器仿真實(shí)驗(yàn)是基于NI公司LabVIEW和Multisim軟件進(jìn)行開發(fā)的。使用工具的安裝順序?yàn)長abVIEW、Control Design & Simulation Module、Multisim，同時(shí)應(yīng)保證新安裝的軟件不低于已安裝的版本。軟件之間的關(guān)聯(lián)如圖1所示，通過Control Design & Simulation Module，LabVIEW將控制參數(shù)傳輸給Multisim，而后者實(shí)時(shí)仿真并將仿真結(jié)果返回給前者。搭建好軟件開發(fā)環(huán)境后，就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)[5-7]。

圖1開發(fā)工具框架

2　基于霍爾傳感器的指南針的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1　系統(tǒng)框圖分析

霍爾傳感器分線性型和開關(guān)型，要正確指示方向及偏離角度，應(yīng)選用線性型[8-9]。本文選用線性霍爾效應(yīng)傳感器UGN3503。該芯片的主要參數(shù)如表1所示。由表1可知：工作電源4.5～6 V，傳感器在休眠狀態(tài)時(shí)輸出電壓是2.5 V，典型的靈敏度是1.3 mV/G。因此霍爾傳感器的輸出電壓表達(dá)式為

U=2.5+Bcosθ×1.3×10-3V

(1)

式中:B為磁場強(qiáng)度;θ為磁場和霍爾片法線的夾角。

表1　UGN3503的電氣特性(UCC =5 V，TA=+25 ℃)

此傳感器用于地磁測量時(shí)，由于地磁場強(qiáng)度為0.25～0.65 G(本文取0.6 G)，因此式(1)可寫為

U=2.5+0.6cosθ×1.3×10-3V

(2)

由式(2)可知，地磁線與霍爾片法線的夾角θ變化，則傳感器的輸出電壓也隨之變化，且霍爾傳感器輸出電壓的變化量非常小。因此根據(jù)輸出電壓測量值，可以推導(dǎo)出偏離北極的角度。

由于傳感器輸出電壓的變化量微弱，故后續(xù)需經(jīng)過電路放大。為了減少傳感器受外界噪聲的影響，使用兩個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器，放置時(shí)方向相反，當(dāng)其中一個(gè)傳感器輸出正電壓時(shí)，另一個(gè)傳感器必然輸出負(fù)電壓，正、負(fù)電壓再分別輸出連接到差分放大器上。

傳感器和測試電路的仿真模型均由Multisim實(shí)現(xiàn)。其方向的位置變換及指示、過程計(jì)算則由LabVIEW完成[10～13]。根據(jù)前面的分析，設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

2.2　具體仿真電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)式(2)，在Multisim中建立相應(yīng)的仿真模型代替線性霍爾效應(yīng)傳感器UGN3503[14～15]，如圖3所示。通過電壓源和壓控電壓源來模擬實(shí)際霍爾傳感器的輸出電壓。UIP和UIN是Multisim和LabVIEW交互數(shù)據(jù)的接口，在LabVIEW中輸入的具體數(shù)值來模擬，即垂直于霍爾傳感器平面的地磁強(qiáng)度。因兩傳感器放置方向相反，所以UIP和UIN的輸入模值相等，符號(hào)相反，即分別為±0.6×cosθ。輸出電壓

U2=2.5+0.6cosθ×1.3×10-3V

U4=2.5-0.6cosθ×1.3×10-3V

為后續(xù)計(jì)算式方便，設(shè)ΔU=0.6cosθ×1.3×10-3V。

圖3霍爾傳感器UGN3503的仿真模型

傳感器輸出的差分放大器及反相比例放大電路如圖4所示。圖中，U1A是差分放大。根據(jù)運(yùn)算電路的基本分析方法[16]，可得U1=2.5-2ΔU；因此再通過U1C放大100倍來增大輸出電壓的變化量。U1D是電壓跟隨器，R8滑變電阻器用于補(bǔ)償偏移電壓。U1C的輸出電壓為

Uo=(U3-2.5)100+200ΔU+U3

通過調(diào)節(jié)R8可以得到合適的，使U1C的輸出電壓足夠驅(qū)動(dòng)下一級(jí)比較器。按照理論分析其輸出電壓應(yīng)與模擬輸入的地磁強(qiáng)度成正比，具體可通過DC Sweep看到兩者的線性關(guān)系，如圖5所示。圖5(a)的橫坐標(biāo)VV3是模擬地磁強(qiáng)度0.6cosθ，縱坐標(biāo)是U0的值；圖5(b)是其具體的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。

圖4放大電路

圖5U0與地磁強(qiáng)度的關(guān)系

為便于學(xué)生制作指南針硬件電路，可根據(jù)具體的參數(shù)設(shè)置合適的閾值。當(dāng)大于閾值才能驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路使發(fā)光二極管點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)方向的指示，具體電路如圖6所示。圖中，U1B為電壓比較器，其反相輸入端的參考電壓約3.2 V。因此當(dāng)同相輸入端(U1C的輸出U0)超過3.2 V時(shí)，U1B輸出高電平，三極管Q1導(dǎo)通，LED(指向北方)點(diǎn)亮。根據(jù)圖4分析可知：U0受滑變電阻R8影響。因此指南針轉(zhuǎn)動(dòng)360°時(shí)，調(diào)節(jié)圖4中的R8，使LED在很小的一個(gè)弧度段內(nèi)點(diǎn)亮。一旦確定弧線邊界兩個(gè)LED點(diǎn)亮的點(diǎn)，則弧線中心即為地磁北極。通過Multisim的DC Sweep可以直觀地觀測到輸入地磁場強(qiáng)度與比較器輸出電壓之間的關(guān)系，如圖7所示。橫坐標(biāo)是地磁強(qiáng)度0.6cosθ，縱坐標(biāo)為比較器U1B的輸出，當(dāng)高電平時(shí)可驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)亮。由圖可知地磁強(qiáng)度約0.592 G以上就可以點(diǎn)亮(偏移地磁北極約10°范圍內(nèi))，調(diào)節(jié)R8可進(jìn)一步調(diào)整偏移地磁北極的角度。

圖6LED指示電路

圖7地磁強(qiáng)度與驅(qū)動(dòng)LED的電壓關(guān)系

至此，完成了Multisim的電路設(shè)計(jì)。通過霍爾線性傳感器和放大電路能將地磁強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，并設(shè)置一定的閾值，當(dāng)角度小于某個(gè)值時(shí)，讓LED指示燈點(diǎn)亮。

要實(shí)現(xiàn)Multisim與LabVIEW的聯(lián)合仿真，需要設(shè)置兩者之間的接口。通過添加HB-SC Connector端口，并在Mutisim中的LabVIEW Co-simulation Terminal設(shè)置端口的名稱和屬性。

2.3　虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)

通過指示燈點(diǎn)亮的方式不夠直觀，因此考慮結(jié)合LabVIEW在數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互方面的優(yōu)勢，將指南針設(shè)計(jì)以數(shù)字化的界面來直觀顯示。

虛擬儀器由前面板和程序框圖兩部分組成，前面板是人機(jī)交互接口，程序框圖完成相應(yīng)的功能。具體的指南針虛擬儀器如圖8所示。

(a)前面板

(b)程序框圖

圖8虛擬儀器的前面板和程序框圖

圖8(a)的“模擬方向”是模擬兩個(gè)霍爾傳感器檢測的地磁強(qiáng)度，由于兩傳感器擺放方向相反，故感應(yīng)值也相反。輸入的值為±0.6cosθ，當(dāng)霍爾片法線與地磁線一致時(shí)為±0.6 G；圖中輸入的0.592約偏離地磁線9.5°。指示盤顯示目前的指向以及與北極偏離的角度值，當(dāng)偏離角度小于10°時(shí)指示燈點(diǎn)亮。圖中的測量結(jié)果(9.818°)與設(shè)置的值(9.5°)誤差較小。在圖8(b)程序框圖中，“指南針電路”即Multisim Model；前面板設(shè)置的“模擬方向”值通過指南針電路后，得到相應(yīng)的UVoltage_Out輸出值(圖4放大器U1C的輸出電壓)。LabVIEW通過UVoltage_Out分析計(jì)算當(dāng)前指針與北極的角度值，計(jì)算參照本文2.2的方法。設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)節(jié)圖4中的R8得到U3為2.505 549 V；U1B電壓比較器反相輸入端的參考電壓約3.2 V。最終的測量誤差如表2所示，隨著夾角減小，誤差增大，但總體不超過1°。實(shí)際制作電路板時(shí)，由于器件的精度等固有的原因，誤差比仿真結(jié)果要大些，但整體也能限制在2°左右。注意，由于電壓變化量小，在制作硬件電路時(shí)應(yīng)選用精密電阻，以減小誤差。

表2　測量結(jié)果分析表

許多區(qū)域的地磁北極會(huì)偏離地理北極。若要修正，可在程序框圖的偏離角度處進(jìn)行簡單的加減運(yùn)算即可完成。

按預(yù)期完成程序并做好源程序備份后，利用LabVIEW的Web發(fā)布工具(工具—Web發(fā)布工具)將程序發(fā)布到網(wǎng)站上。在沒有安裝LabVIEW和Multisim軟件的電腦上也能夠操作，IE中打開Web發(fā)布的地址，用戶可以修改參數(shù)，以觀察分析運(yùn)行結(jié)果。這樣就能方便地進(jìn)行交互式操作，提高實(shí)驗(yàn)效果，并可部分解決缺少硬件或硬件難以實(shí)驗(yàn)的問題。

3　結(jié)　語

本文結(jié)合Multisim和LabVIEW仿真工具設(shè)計(jì)的傳感器仿真實(shí)驗(yàn)軟件，建立了霍爾傳感器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，完成了測試電路的分析，并在LabVIEW中完成電路數(shù)據(jù)的處理及輸入輸出數(shù)據(jù)的顯示，實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)采集、處理及數(shù)據(jù)顯示。這種聯(lián)合仿真方式可以增強(qiáng)學(xué)生對傳感器原理的理解，加深測量測試電路的認(rèn)識(shí)，便于理順系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路，有助于學(xué)生掌握傳感器的理論及應(yīng)用。該仿真方式較好地將抽象的知識(shí)以圖形圖像的形式直觀展示。將開發(fā)的程序發(fā)布到網(wǎng)站上，用戶即使沒有安裝軟件也可通過IE瀏覽器方便開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，提高了軟件的操作性且不受時(shí)間地點(diǎn)限制。其他傳感器的建模仿真步驟與此相同。實(shí)踐表明：學(xué)生先完成系統(tǒng)仿真后再進(jìn)行實(shí)際電路的實(shí)驗(yàn)，出錯(cuò)率顯著下降，設(shè)備損壞率明顯降低，并加深了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念，提高了教學(xué)的有效性。

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