Multisim在传感器实验教学中的应用.pdf

收稿日期:2 0 2 2 1 0 0 9基金项目:辽宁省科技厅自然科学基金资助项目(2 0 1 8 0 5 5 0 0 5 5)。作者简介:周 波(1 9 7 9),男,辽宁铁岭人,沈阳师范大学讲师,硕士。第4 1卷 第4期2023年 8月沈阳师范大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fS h e n y a n gN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 1N o.4A u g.2 0 2 3文章编号:1 6 7 3 5 8 6 2(2 0 2 3)0 4 0 3 3 6 0 5M u l t i s i m在传感器实验教学中的应用周 波,陈秀艳,吴 迪,陈岚峰(沈阳师范大学 物理科学与技术学院,沈阳 1 1 0 0 3 4)摘 要:一直以来,传感器实验教学普遍采用实验室的教学方式,高度依赖实验室和固定的实验电路。虽然实验室教学有诸多优点,但是实验教学过于依赖实验室,缺乏灵活性。M u l t i s i m是一款专业的电路仿真软件,主要用于模拟电路和数字电路仿真。目前,运用M u l t i s i m软件对传感器实验电路进行仿真并未被广泛使用,M u l t i s i m软件的引入可以使传感器实验教学更加灵活、便捷。通过应变式电阻传感器和差动变压器电路的仿真,验证了传感器原理和相应测量电路的正确性,证明了基于M u l t i s i m的传感器实验教学是一种行之有效的教学方式,仿真实验可以作为传感器实验室教学方式的补充。在不具备传感器实验室的院校,传感器仿真实验可以作为首选的实验教学方式。同时,仿真实验也可以增加学生对传感器原理的理解。关 键 词:M u l t i s i m;传感器;仿真实验;传感器教学中图分类号:T P 2 1 2 文献标志码:Ad o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 6 7 3 5 8 6 2.2 0 2 3.0 4.0 0 9A p p l i c a t i o no fM u l t i s i mi ne x p e r i m e n t a l t e a c h i n go f s e n s o rZHO UB o,CHENX i u y a n,WUD i,CHENL a n f e n g(C o l l e g eo fP h y s i c a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h e n y a n gN o r m a lU n i v e r s i t y,S h e n y a n g1 1 0 0 3 4,C h i n a)A b s t r a c t:F o ral o n gt i m e,t h es e n s o re x p e r i m e n tt e a c h i n gg e n e r a l l ya d o p t st h el a b o r a t o r yt e a c h i n g m e t h o d,r e l y i n go nt h el a b o r a t o r ya n dt h ef i x e de x p e r i m e n t a lc i r c u i t.A l t h o u g ht h el a b o r a t o r yt e a c h i n gh a s m a n ya d v a n t a g e s,t h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gi st o od e p e n d e n to nt h el a b o r a t o r y,l a c ko f f l e x i b i l i t y.M u l t i s i mi sap r o f e s s i o n a l c i r c u i ts i m u l a t i o ns o f t w a r e,m a i n l yu s e df o ra n a l o ga n dd i g i t a l c i r c u i t s i m u l a t i o n.M u l t i s i mi sn o tw i d e l yu s e d i n t h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no fs e n s o re x p e r i m e n t a l c i r c u i t,a n d t h e i n t r o d u c t i o no fM u l t i s i ms o f t w a r ew i l lm a k e s e n s o r e x p e r i m e n tt e a c h i n gm o r e f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n t.T h r o u g ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t o f s t r a i nt y p e r e s i s t a n c es e n s o ra n dd i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e rc i r c u i t,t h ec o r r e c t n e s so fs e n s o rp r i n c i p l ea n d m e a s u r e m e n tc i r c u i t i sv e r i f i e d,a n dt h es e n s o re x p e r i m e n tt e a c h i n gb a s e do n M u l t i s i mi sa ne f f e c t i v et e a c h i n gm e t h o d.T h es e n s o r s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tb a s e do nM u l t i s i mc a nb eu s e da sas u p p l e m e n t t ot h el a b o r a t o r yt e a c h i n g.I nc o l l e g e sa n d u n i v e r s i t i e s w i t h o u ts e n s o rl a b o r a t o r y,s e n s o rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t c a nb er e g a r d e da s t h ep r e f e r r e de x p e r i m e n t a l t e a c h i n gm e t h o d.A t t h es a m et i m e,t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a l s o i n c r e a s e ss t u d e n t s u n d e r s t a n d i n go f s e n s o rp r i n c i p l e.K e yw o r d s:M u l t i s i m;s e n s o r;s i m u l a t e de x p e r i m e n t;s e n s o r t e a c h i n g传感器是人类认识自然和改造自然的有力工具,可以用来检测微观世界与宏观世界12。传感器通过模拟/数字电路将被测的非电量(物理量、化学量、生物量等)按照一定规律转换成电信号。“传感器原理及应用”是大专院校电子信息专业、测控技术及仪器专业的一门重要专业课,传感器实验教学是其重要的组成部分。目前,传感器实验教学广泛采用厂家定制的传感器教学实验仪器作为主要教学手段,存在一定的局限性:1)实验平台的传感器测量电路结构相对固定,缺乏灵活性;2)完全依赖实验室、实验平台3;3)传感器实验室建设需要较大的资金投入。基于以上原因,采用虚拟仿真实验完成对传感器电路的设计具有一定优势。用于传感器仿真的软件主要有MAT L A B(m a t r i xl a b o r a t o r y),P r o t e u s,L a b v i e w,M u l t i s i m。MAT L A B适用于传感器系统的动态特性设计与传感器实验的数据处理,例如分析系统的传递函数、幅频特性、相频特性等;P r o t e u s擅长基于单片机为核心的系统构建,可用于模拟前端、数字电路及后级微处理器的运算与控制等完整系统的设计与仿真;L a b v i e w作为虚拟仪器软件,主要用于数据采集与分析、上位机显示等应用开发;M u l t i s i m更适合于电路参数的精准分析与仿真,可用于传感器测量电路设计和参数的确定。M u l t i s i m是美国国家仪器有限公司开发的电子线路仿真与设计软件。该软件主要用于模拟、数字电路的仿真及电路板的设计与制作46,它具有以下特点:1)具有电路原理图的输入方式和硬件描述语言的方式;2)具有丰富的电子元件库,包含信号发生器、模拟电路元件库、数字电路元件库等;3)具有丰富的测试仪器,如万用表、示波器、功率计、频谱分析仪、网络分析仪、扫频仪等;4)具有强大的仿真分析能力,包含瞬态分析、傅里叶分析、直流工作点分析、交流分析、直流扫描分析等。将M u l t i s i m作为传感器实验教学工具,可以提供一种更为灵活的教学手段79。本文以应变式电阻传感器和差动变压器为例,采用M u l t i s i m1 4.0仿真软件进行仿真设计与验证。1 应变式电阻传感器金属丝式应变式电阻传感器是利用金属材料的应变效应来工作的1 0,即利用被测体的机械形变引起应变片阻值发生变化。这种变化可直接用于形变量的测量,可用于力、加速度、质量等非电量的测量1 1。由于形变引起应变片阻值的变化是微弱的,需要使用专用的测量电路将其转换为电压信号,通常采用的是电桥电路,电桥电路的输出还需经过放大器放大等处理,再通过对单臂电桥和差动电桥电路进行仿真,分析单臂电桥和差动电桥的特性。1.1 工作原理应变式电阻传感器电阻阻值R=L/A,其中为电阻率,L为金属电阻丝长度,A为金属电阻丝截面积。当受到外力作用时,金属应变片产生机械形变,进而引起电阻阻值发生变化,其变化关系如公式(1)所示:dRR=(1+2)dLL+d(1+2)(1)其中:dR/R为电阻的相对变化量;为泊松系数;dL/L=为相对形变量;d/为电阻率的相对变化率,对金属材料来说,电阻率相对变化量比较小,可以忽略不计。金属应变片主要材料为康铜,形变引起电阻阻值的变化较小,通常小于1。1.2 应变式电阻传感器测量电路应变式电阻传感器主要测量的电路是电桥电路1 2。电路结构根据每个桥臂粘贴应变片的方式可以划分为单臂电桥、差动半桥和差动全桥。相对于单臂电桥,差动半桥和差动全桥具有更大的灵敏度和更优良的线性度。单臂电桥电路如图1所示,其中R1为电阻传感器。直流差动半桥电路如图2所示,其中:R1,R2为电阻传感器组成的差动结构;R3,R4为普通电阻;UO为电桥输出。当R1/R2=R3/R4=n,UO=0时,电桥平衡。选择R1=R2=R3=R4=R,若应变片R1产生R的变化,单臂电桥的输出为公式(2)所示,当RR1时,忽略分母的R/R1得到最后的近似结果。差动半桥输出如公式(3)所示。由公式(3)可知单臂电桥存在非线性误差,差动电桥没有非线性误差。UO=R4R3R1R11+RR1+R2R11+R4R3EE4RR(2)733 第4期 周 波,等:M u l t i s i m在传感器实验教学中的应用UO=E2RR(3)图1 单臂电桥电路F i g.1 I n d i v i d u a l b r i d g ec i r c u i t s图2 差动半桥电路F i g.2 D i f f e r e n t i a l h a l f b r i d g ec i r c u i t s1.3 仪表放大器电路由外界应力引起的应变电阻阻值的变化,经过电桥输出后需要进一步放大,仪表放大器电路如图3图3 仪表放大器电路F i g.3 I n s t r u m e n t a m p l i f i e r c i r c u i t所示,由U3,U4,U5三运放组成仪表放大器,仪表放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗并且差分输入的特性。Ui经过放大后得到最终输出UO,UO与Ui的关系如公式(4)所 示。代 入R5=1 0k,R6=2 0,R1 0=R8=1 0 0,得到UO=10 0 0Ui。Uo=Ui1+2R5R6R1 0R8(4)1.4 仿真与分析单 臂 电 桥 采 用 图1所 示 结 构,R2=R3=R4=1 0 0,为普通电阻。R1=1 0 0,为应变式电阻传感器。采用5V直流电源,通过改变应变电阻传感器R的值模拟传感器的变化,电桥输出再经过仪表放大器得到最后的输出,仿真结果见表1。差动半桥采用图2所示结构,R3=R4=1 0 0,为普通电阻,R1=R2=R=1 0 0,为应变式电阻传感器,组成差动结构,当R1增加R时,R2同时减少R。电桥输出后再经过仪表放大器得到最后的输出,仿真结果见表2。表1 单臂电桥仿真实验数据T a b l e1 S i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a l d a t ao f i n d i v i d u a l b r i d g e应变电阻RUo理论mVUo仿真mV绝对误差mV000.0 0 1-0.0 0 10.0 11 2 51 2 4.4 30.5 70.0 22 5 02 4 8.8 51.1 50.0 33 7 53 7 3.2 5 71.7 4 30.0 45 0 04 9 7.6 5 12.3 4 90.0 56 2 56 2 2.0 3 32.9 6 70.0 67 5 07 4 6.4 0 23.5 9 80.0 78 7 58 7 0.7 5 94.2 4 10.0 810 0 09 9 5.1 0 44.8 9 60.0 911 2 511 1 960.1 012 5 012 4 46表2 差动半桥仿真实验数据T a b l e2 S i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a l d a t ao fd i f f e r e n t i a l h a l f b r i d g e应变电阻RUo理论mVUo仿真mV绝对误差mV000.0 0 1-0.0 0 10.0 12 5 02 4 8.8 7 71.1 2 30.0 25 0 04 9 7.7 5 32.2 4 70.0 37 5 07 4 6.6 2 93.3 7 10.0 410 0 09 9 5.5 0 54.4 9 50.0 512 5 012 4 460.0 615 0 014 9 370.0 717 5 017 4 280.0 820 0 019 9 190.0 922 5 022 4 01 00.1 025 0 024 8 91 1833沈阳师范大学学报(自然科学版)第4 1卷 图4 单臂电桥与差动半桥特性曲线F i g.4 C h a r a c t e r i s t i cc u r v e so f i n d i v i d u a l b r i d g ec i r c u i t sa n dd i f f e r e n t i a l h a l f b r i d g ec i r c u i t s 从仿真数据可以看出,理论值与仿真值存在一定误差,但误差较小,说明仿真良好,仿真值可以很好地反映应变电桥及放大器的输入输出特性关系。从图4还可以看出,差动半桥的灵敏度大约是单臂电桥的2倍,输入输出都具有较好的线性度。产生误差的主要原因是仿真会受到电阻精度和运算放大器的影响,这也反映了仿真的真实性。2 差动变压器式互感电感传感器差动变压器式互感电感传感器是将被测量的变化转换为变压器初级线圈和次级线圈互感系数的变化1 31 4,其主要用于测量位移量及位移的相关量。如图5所示,衔铁产生上下移动,引起互感系数M1和M2发生改变,互感电动势U1,U2随之发生变化。图5 差动变压器电路原理图F i g.5 S c h e m a t i cd i a g r a mo f d i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e r c i r c u i t差动变压器的输出电压由公式(5)所示:UO=-j(M1-M2)UiRp+j L1(5)式中:为激励电压角频率;Ui为激励电压;UO为差动变压器输出;M1,M2为初级次级线圈的互感系数。2.1 差动变压器测量电路差动变压器测量电路采用全波差动整流电路(图6)。差动变压器2个次级线圈的输出图6 全波差动整流电路F i g.6 F u l lw a v ed i f f e r e n t i a l r e c t a r yc i r c u i t电压U1,U2分别经过2个全桥进行全波整流后得到U3,U4,输出UO=U3-U4。电压源采用1k H z,1 0 V的 交 流 激 励 电 压。由 于M u l t i s i m软件主要用于电路仿真1 51 7,元件库所带的传感器较少,没有差动变压器,因而采用普通变压器替代差动变压器。通过改变初级次级线圈的匝数比模拟衔铁上下移动的过程。变压器源边线圈匝数为n1,次级线圈匝数分 别 为n2和n3。例 如,当 线 圈 匝 数 比n1n2n3=1 055时,模拟衔铁处于中心位置,其他以此类推。2.2 全波差动整流电路仿真与分析根据线圈不同的匝数比模拟得到不同的衔铁位置作为输入,UO=U3-U4作为输出得到测量数据(表3)。从图7差动变压器的特性曲线可以看出,输入输出呈良好的线性关系,电路能够较为理想地模拟差动变压器,并验证测量电路的正确性。全波差动整流电路由于二极管正向饱和压降的影响,会导致测量信号有一定程度的衰减。表3 全波差动整流电路仿真实验数据T a b l e3 F u l lw a v ed i f f e r e n t i a l r e c t a r yc i r c u i t s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a l d a t a线圈匝数比n1n2n31 091 1 082 1 073 1 064 1 055 1 046 1 037 1 028 1 019相对位移/c m-4-3-2-101234UO/V7.1 9 45.3 9 83.61.80-1.8-3.6-5.3 9 8-7.1 9 4933 第4期 周 波,等:M u l t i s i m在传感器实验教学中的应用图7 差动变压器特性曲线F i g.7 C h a r a c t e r i s t i cc u r v e so f d i f f e r e n t i a l t r a n s f o r m e r3 结 语将电路仿真软件M u l t i s i m引入传感器实验教学中,可以为传感器实验教学提供有力补充。由于实验题目不拘泥于实验室现有设备,增加了教学的灵活性。限于篇幅,以上仅以2个仿真案例作为说明,教师在教学中可以根据教学内容增加实验题目。近年来,线上课堂被广泛使用,传感器实验教学需要一种脱离实验室的实践方式,基于M u l t i s i m的仿真实验可以发挥重要作用。M u l t i s i m没有被广泛用于传感器实验教学的主要原因是器件库里传感器元件较少,因而无法对传感器自身特性进行仿真验证。利用传感器的电路参数构建传感器模型,可以为传感器仿真教学另辟蹊径。参考文献:1 徐新黎,许金山,姜娓娓.以工程应用能力培养为 目标 的传 感器 与 检测 技术 课 程建 设探 索J.计 算 机教 育,2 0 1 9(5):2 2 2 4.2 陈岚峰,赵亚威.无损耗电阻器的P s p i c e仿真研究J.沈阳师范大学学报(自然科学版),2 0 0 6,1 7(4):4 3 6 4 3 8.3 宋志勇.应用型本科院校“传感器技术”课程教学方案优化分析J.无线互联科技,2 0 2 0,1 7(4):1 1 8 1 2 0.4 王世福.基于M u l t i s i m的模拟电子技术教学探究J.电子世界,2 0 2 0(1 4):1 3 1 4.5 叶晶晶,杨洁.模拟电子技术实验仿真系统研究J.电子测试,2 0 2 0(1 8):5 7.6 沈怡平,崔保春,赵洪亮,等.M u l t i s i m在差分放大电路实验中的应用J.实验室科学,2 0 2 0,2 3(3):7 4 7 7.7 梁志勋,阮忠,易云飞.仿真技术在传感器实验教学中的应用研究J.中国教育信息化,2 0 1 8(2 0):8 8 9 0.8 张学科,董亮.基于M u l t i s i m的温控电路虚拟仿真研究J.广西科技师范学院学报,2 0 1 8,3 3(6):1 4 5 1 4 8.9 邓维礼,常向荣,周杰.M u l t i s i m在传感器实验课中的应用J.实验室科学,2 0 1 1,1 4(3):1 1 3 1 1 5.1 0 姜静,刘迪,鹿珂珂.一种电阻应变式传感器信号调节电路的设计J.船电技术,2 0 1 3,3 3(2):1 2 1 4.1 1 王来志,王小平.基于电阻应变片式传感器的电子秤设计J.物联网技术,2 0 1 4,4(2):5 8 6 0.1 2 王革思.虚拟仿真电阻式传感器设计J.实验科学与技术,2 0 1 9,1 7(5):4 7 5 0.1 3 秦常贵.差动变压器式电感传感器研究与应用J.传感器世界,2 0 2 0,2 6(5):2 5 2 9.1 4 张海飞,雷晓娟.差动电感式位移传感器调理电路设计J.自动化仪表,2 0 2 0,4 1(2):5 8 6 2.1 5WAN G Y Y,L I U J H.D i s c u s s i o no na n a l o ge l e c t r o n i c st e c h n i q u ee x p e r i m e n t a lc u r r i c u l u m r e f o r m u n d e rt h ei n f l u e n c eo fn o v e l c o r o n a v i r u sJ.WS R J,2 0 2 0,6(8):1 3 1 1 3 3.1 6Z HAOL.H e u r i s t i c t h i n k i n ga n dt e a c h i n gp r a c t i c eo fd i g i t a l c i r c u i to n l i n ec o u r s eJ.J S S,2 0 2 0,8(8):1 1 8 1 2 7.1 7L I U W.A p p l i c a t i o no fM u l t i s i mi nt h et e a c h i n go fe l e c t r i c i t yi ns e n i o rh i g hs c h o o lJ.I J O S S E R,2 0 2 0,3(4):1 8 9 1 9 3.043沈阳师范大学学报(自然科学版)第4 1卷