仿真技術(shù)在傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究*

梁志勛，阮 忠，易云飛

（河池學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，廣西 宜州 546300）

一、引言

傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)被稱為信息系統(tǒng)的三大關(guān)鍵技術(shù)[1]，《傳感器原理與應(yīng)用》是高校電子信息類專業(yè)的必修課程，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是該課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[2-3]。目前開設(shè)有電子信息類相關(guān)專業(yè)的高?；窘ㄔO(shè)了相對應(yīng)的傳感器原理實(shí)驗(yàn)室，來完成對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。當(dāng)前傳感器原理實(shí)驗(yàn)室基本以成套的硬件設(shè)備為主，基本上能夠滿足原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求[4]，但是這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式難以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性，并且缺乏設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，難以滿足培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的需求。在教育部大力倡導(dǎo)利用虛擬仿真技術(shù)促進(jìn)高等教育教學(xué)的時代背景下，利用仿真技術(shù)，在教學(xué)中為學(xué)生創(chuàng)造一個良好的學(xué)習(xí)實(shí)踐條件，讓學(xué)生在直觀的環(huán)境中觀察和分析問題，有助于提髙學(xué)習(xí)興趣和積極性，是目前高等教育教學(xué)在培養(yǎng)創(chuàng)新性和應(yīng)用型人才問題上熱點(diǎn)討論的問題[5-6]。近些年，河池學(xué)院在《傳感器原理及應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，堅(jiān)持以培養(yǎng)創(chuàng)新性和應(yīng)用型人才為目標(biāo)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，利用MATLAB、Multisim和Proteus仿真技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用研究和相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，取得了較好的教學(xué)效果。

二、傳感器的動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在傳感器原理教學(xué)中，系統(tǒng)的一、二階響應(yīng)是學(xué)生較難理解的部分，要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加困難，我校利用MATLAB仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果，不但加強(qiáng)了學(xué)生對傳感器系統(tǒng)響應(yīng)原理的理解，而且極大提高了學(xué)生對傳感器原理學(xué)習(xí)的興趣。

1.傳感器一階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

傳感器一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)和階躍信號、正弦信號的拉氏變換分別為[7]：

根據(jù)公式1、2可得系統(tǒng)一階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)分別為：

通過利用 MATLAB 中的“step”和“bode”函數(shù)仿真一階傳感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性。改變傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)τ，觀察其階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性的曲線，學(xué)生通過直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來深入理解傳感器系統(tǒng)的時間常數(shù)τ和階躍響應(yīng)及頻率響應(yīng)特性之間的關(guān)系。

傳感器一階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真例子如圖1所示，圖1（a）為一階傳感器系統(tǒng)的時間常數(shù)τ分別為2、5、10時的階躍響應(yīng)特性。由圖中曲線可直觀看出，時間常數(shù)τ越小，其階躍響應(yīng)特性越好。圖1（b）為傳感器一階系統(tǒng)的時間常數(shù)分別為τ等于0.1、0.01、0.001時的頻率響應(yīng)特性，由圖中曲線可直觀看出，時間常數(shù)τ越小，其頻率響應(yīng)特性越好。在實(shí)驗(yàn)過程中要求學(xué)生設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，通過本次實(shí)驗(yàn)，深入理解傳感器一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性。

圖1 傳感器一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性

2.傳感器二階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

傳感器的二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為[8-9]：

利用公式2、3中的階躍信號和正弦信號的拉氏變換，分別可以得到傳感器二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)為：

通過利用 MATLAB 中的“step”和“bode”函數(shù)仿真二階傳感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性。改變傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)τ、w，觀察其階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性的曲線，學(xué)生通過直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，深入理解傳感器系統(tǒng)的時間常數(shù)τ和階躍響應(yīng)及頻率響應(yīng)特性之間的關(guān)系。

傳感器二階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真例子如圖2所示，圖2（a）為二階傳感器系統(tǒng)的阻尼系數(shù)ξ分別為0、0.5、0.6、1、1.5時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性，由圖中曲線可直觀看出，當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率為常數(shù)時，阻尼系數(shù)ξ為0.6-0.8之間時，響應(yīng)時間較短，過沖不大。圖2（b）為傳感器二階系統(tǒng)的阻尼系數(shù) ξ分別等于 0.1、0.2、0.6、1.0、1.5 時的頻率響應(yīng)特性，由圖中曲線可直觀看出：①當(dāng)ξ小于1，且輸入信號頻率小于系統(tǒng)固有頻率時，輸出幅值接近出入幅值。但是當(dāng)輸入信號頻率大于固有頻率時，幅值有一定的增益；②當(dāng)ξ大于1，輸出信號的幅度隨著輸入信號的頻率變大迅速衰減。因此可得出結(jié)論，ξ為0.6-1.0之間時，幅頻特性較好，且相頻特性也較線性。在實(shí)驗(yàn)過程中要求學(xué)生設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得出相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，使學(xué)生深入理解傳感器二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性。

圖2 傳感器二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性

三、利用Multisim進(jìn)行電橋電路實(shí)驗(yàn)

傳感器系統(tǒng)的前端信號采集電路中通常采用四橋臂電橋?qū)ξ⑷跣盘栠M(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)供電電源形式可分為直流電橋和交流電橋，也可以根據(jù)接入電橋的傳感器數(shù)量分為單橋、半橋和全橋。Multisim是由美國國家儀器公司提供的一套完整電路原理設(shè)計(jì)、電路功能測試的虛擬仿真軟件及方案[10-11]，具備功能強(qiáng)大的模擬電路仿真能力，非常適用于傳感器的電橋電路仿真實(shí)驗(yàn)[12-13]。

如圖 3 中的圖（a）、（b）、（c）所示，在直流電橋電路中，學(xué)生分別通過改變電路中的可調(diào)電阻，利用虛擬電壓表測量電橋的輸出電壓，可以直觀得出單橋、半橋和全橋的電壓輸出，進(jìn)一步對三種電路的特性進(jìn)行比較。在交流電橋電路中，如圖3中的圖（d）所示，利用虛擬示波器探測交流電橋電路的輸出波形，當(dāng)改變電容C1的容值大小時，信號逐漸增大，電橋的輸出波形如圖4所示。通過測試和分析，深入理解交流電橋在電容式傳感器中應(yīng)用的工作原理。

圖3 直流和交流電橋電路仿真

圖4 交流電橋仿真波形圖

四、利用Proteus進(jìn)行各類傳感器實(shí)驗(yàn)

Proteus仿真軟件是英國Labcenter Electronics公司于1989年開發(fā)的一款廣泛應(yīng)用于電子電路和單片機(jī)系統(tǒng)的仿真軟件[14-15]。該軟件不僅可以對電子電路和單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，還提供了大量的傳感器仿真元件[16-18]，可以完成電阻式、電容式、光電、溫濕度等多種傳感器實(shí)驗(yàn)。

如圖5所示，仿真軟件器件庫提供了多種傳感器仿真元件，從左至右依次分別為熱電偶、PTC溫度傳感器、MPX4115集成壓力傳感器、LDR光敏電阻、光電二極管。按照課程的教學(xué)需要，選取對應(yīng)的傳感器元件，可以進(jìn)行詳細(xì)的傳感器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，也可以安排學(xué)生結(jié)合該軟件器件庫給出的單片機(jī)等其它器件，進(jìn)行綜合性的傳感器課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。

圖5 Proteus軟件庫傳感器仿真元件

五、結(jié)束語

目前《高校傳感器原理及應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用單一硬件儀器設(shè)備進(jìn)行原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)方式，由于設(shè)備陳舊或?qū)嶒?yàn)耗材缺乏等原因，使得該方式難以滿足多樣化設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需求，難以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。而利用仿真技術(shù)，不但在缺乏實(shí)驗(yàn)耗材的情況下依然能夠正常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且仿真軟件能夠?qū)崟r對仿真器件庫進(jìn)行更新。同時也方便學(xué)生課后在實(shí)驗(yàn)室外自行設(shè)計(jì)感興趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，有效提高了該門課程的教學(xué)效果。通過我校對該門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐，利用仿真技術(shù)和硬件儀器設(shè)備教學(xué)相結(jié)合，取得了很好的教學(xué)效果，歷年學(xué)生參與全國大學(xué)生電子競賽分別取得多項(xiàng)一等獎和二等獎的好成績。