基于Multisim和LabVIEW的虛擬電子稱

摘要：針對目前應(yīng)變式傳感器教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的設(shè)備落后、缺乏生動(dòng)形象的實(shí)驗(yàn)手段、與實(shí)際工程應(yīng)用脫節(jié)等問題，把電路仿真軟件Multis im用于教學(xué)實(shí)踐，設(shè)計(jì)電阻應(yīng)變片的測量電路，用壓控電阻模擬被測重量，獲得輸出電壓與被測重量的關(guān)系式。在LabVIEW軟件平臺上，不使用數(shù)據(jù)采集卡的前提下，實(shí)現(xiàn)簡易虛擬電子稱的功能。采用Multisim和LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的虛擬電子稱，節(jié)省了硬件資源，加深了學(xué)生對理論知識的理解，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：應(yīng)變片式傳感器；Multisim；LabVIEW；電子稱

    電阻應(yīng)變片是廣泛應(yīng)用的傳感元件之一，其量程寬、體積小、攜帶方便和準(zhǔn)確度高，在電子衡器中被廣泛應(yīng)用，因此在傳感器的教學(xué)中占有非常重要的位置，其實(shí)驗(yàn)也是傳感器課程諸多實(shí)驗(yàn)中必做的內(nèi)容，對學(xué)生深入理解和掌握相關(guān)理論知識、培養(yǎng)實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)具有不可忽視的作用。在該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法僅停留在驗(yàn)證性的基本原理階段，與實(shí)際聯(lián)系不多，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路通常又采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)方法和手段因?qū)嶒?yàn)設(shè)備的定型而很難改動(dòng)，缺乏直觀性，嚴(yán)重束縛了學(xué)生的創(chuàng)造力，對實(shí)踐能力的提高作用有限。隨著新的測試技術(shù)的發(fā)展，電路仿真軟件和虛擬儀器軟件的不斷涌現(xiàn)，為解決上述問題提供了良好的平臺。學(xué)生可以在電腦上采用Multisim軟件設(shè)計(jì)應(yīng)變片的測量電路，進(jìn)而在LabVIEW虛擬儀器軟件平臺上，完成對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)電子稱功能，在一定程度代替了實(shí)驗(yàn)室的硬件傳統(tǒng)儀器設(shè)備和元器件。

1 應(yīng)變式稱重傳感器
    應(yīng)變式稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片和測量電路組成。其工作原理是：彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生形變，從而引起電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，通過相應(yīng)的測量電路，把電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出，從而完成將重力轉(zhuǎn)換為電信號的過程。
1．1 應(yīng)變片的工作原理
    電阻應(yīng)變片的工作原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即當(dāng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值也相應(yīng)地發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)變片的電阻相對變化量△R／R與軸向應(yīng)變ε的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的。
     △R／R=k0ε      (1)
    式中：k0為應(yīng)變片的靈敏度，在金屬電阻絲拉伸比例極限內(nèi)為常數(shù)。
1．2 應(yīng)變式傳感器的稱重原理
    用應(yīng)變片測量受力應(yīng)變時(shí)，將應(yīng)變片粘貼在被測對象表面上，而根據(jù)引力應(yīng)變的關(guān)系：
     σ=Eε      (2)
    這里所說的應(yīng)力為單位面積所受外力，如果用作電子稱，它與重物的質(zhì)量滿足如下關(guān)系：
     mg=σS     (3)
    式中：m為重物的質(zhì)量；g為重力加速度；S為彈性體的截面積。
    根據(jù)以上各式可得到：
   

2 Multisim仿真
    Multisim是美國國家儀器(NI)公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具。可提供4 000～17 000個(gè)電路元器件，除虛擬元件外基本采用實(shí)際參數(shù)模型，所實(shí)現(xiàn)的仿真具有較強(qiáng)的真實(shí)性。該仿真軟件還提供了豐富的測試儀器和強(qiáng)大的電路分析手段，為正確驗(yàn)證電路功能和分析電路參數(shù)提供了有力保證。因此筆者嘗試在Multisim平臺上設(shè)計(jì)全橋電路將應(yīng)變電阻變化轉(zhuǎn)換為電路輸出電壓。
2．1 模型的建立
    應(yīng)變片材料選用康銅，取應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)k0=2；彈性體選用鋼制雙彎曲梁，其彈性模量為E=21 400kg／mm2；其截面積S=100mm2；四個(gè)應(yīng)變片R1，R2，R3，R4，不受力時(shí)的電阻值均為200 Ω；重力加速度g=9．8 m／s2，將上述參數(shù)帶入式(4)，得到：
     △R=1．832×10-3m       (5)
    由于Multisim里面沒有提供應(yīng)變片的模型，用固定電阻R1，R2，R3，R4模擬的是不受壓力時(shí)的應(yīng)變片，采用壓控源來模擬受力應(yīng)變片的阻值變化，在電路連接上兩者采用串聯(lián)的方式，取系數(shù)為1．832 mΩ／V，V可以理解為物體的質(zhì)量(kg)，V1，V2，V3，V4指代的是同一電壓V(模擬重物質(zhì)量)，根據(jù)差動(dòng)電橋的原理，改變V的極性，即可構(gòu)成全橋差動(dòng)形式，仿真電路如圖1所示。
2．2 放大電路設(shè)計(jì)
    差動(dòng)電橋輸出的電壓信號極其微弱，采用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路將電橋輸出電壓放大。它由兩級放大器組成兩個(gè)對稱同相放大器構(gòu)成第一級，由集成運(yùn)放OP07，R6，R7和Rw2組成同相輸入式并聯(lián)差分放大器，具有非常高的輸入阻抗。第二級由OP07，R8，R9，R10和R11組成反向比例放大器。為方便調(diào)節(jié)，再加一級比例放大電路，并在電路的輸出級接萬用表。放大電路如圖2所示。

2．3 綜合電路仿真
    將放大電路的兩輸入端接地，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rw3，使電路的輸出近似為零，將電路中模擬物體重量的電壓源的值設(shè)為零，調(diào)節(jié)Rw1，使萬用表的示數(shù)為零，完成電路調(diào)零。在Multisim中，改變模擬實(shí)際重量的電壓源V，相當(dāng)于被測質(zhì)量發(fā)生變化，虛擬電壓表的電壓也隨之變化，掃描的范圍為0～0．2 V，每隔0．02 V記錄一次，得到10個(gè)電壓數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)式(5)得到相應(yīng)的電阻變化量的大小，數(shù)據(jù)如表1所示。
使用最小二乘法對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所得擬合直線方程為：
    U0=270．2×△R         (6)
    代入式(4)，得到質(zhì)量的表達(dá)式為：
   

3 LabVIEW的虛擬電子稱
    LabVIEW是美國NI公司推出的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，在測控領(lǐng)域已得到迅速而廣泛的應(yīng)用。將虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向。在虛擬儀器軟件系統(tǒng)中做各種傳感器實(shí)驗(yàn)，在一定程度代替了實(shí)驗(yàn)室的硬件傳統(tǒng)儀器設(shè)備，真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)“軟件即儀器”的獨(dú)特魅力，有助于學(xué)生深刻理解傳感器的測試功能，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和實(shí)驗(yàn)效率。
3．1 前面板設(shè)計(jì)
    在LabvIEW平臺下，一個(gè)虛擬儀器由兩部分組成：前面板和框圖程序。前面板的功能等效于傳統(tǒng)測試儀器的面板，是程序與用戶交流的窗口，用于設(shè)置各種輸入控制參數(shù)和觀察輸出量。本系統(tǒng)的前面板由輸入控件和輸出顯示控件組成。輸入控件用來輸入仿真電路獲得的電壓值和重物的單價(jià)數(shù)值，將數(shù)據(jù)傳送給VI的程序框圖，為VI的程序框圖提供數(shù)據(jù)。顯示控件則模擬儀器的輸出裝置，用以顯示程序框圖獲取或生成的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)參數(shù)模塊的幾個(gè)固定參數(shù)以及電子稱功能模塊中的△R和質(zhì)量m及其總金額顯示模塊均為數(shù)值顯示控件。除此之外，前面板的設(shè)計(jì)中還包括了儀表盤顯示面板和超重指示燈顯示控件。電子稱的前面板如圖3所示。

3．2 程序框圖設(shè)計(jì)
    程序框圖相當(dāng)于程序的源代碼，是實(shí)現(xiàn)程序的核心，程序框圖由節(jié)點(diǎn)、端口和連線等要素組成。

    首先從數(shù)值函數(shù)選板中選取“數(shù)值常量”節(jié)點(diǎn)，設(shè)置系統(tǒng)的固定常數(shù)，在各常量上點(diǎn)擊右鍵選擇創(chuàng)建指示器，并相應(yīng)改變名稱，如彈性模量E、應(yīng)變片面積S，電阻尺，靈敏度k0等。測量電路的輸出電壓U0是非常重要的一個(gè)量，通常的虛擬電子稱是利用數(shù)據(jù)采集卡來獲得該電壓值的。在本設(shè)計(jì)中由于在前面的Multisim電路仿真中已獲得了輸出電壓，因此在函數(shù)選板中選擇數(shù)值輸入控件，即可在前面板中由鍵盤手動(dòng)輸入。而系統(tǒng)的電子稱功能模塊的運(yùn)算函數(shù)則通過函數(shù)選板中的“數(shù)值選板”，根據(jù)公式(6)和(7)的關(guān)系式，選擇相應(yīng)的運(yùn)算函數(shù)，完成連線即可。最后在函數(shù)模板中選取編程一數(shù)值一比較節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)定重量大于500 g報(bào)警指示燈變紅。系統(tǒng)的程序框圖如圖4所示。

4 結(jié)語
    基于Multisim對應(yīng)變測量電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，獲得仿真結(jié)果，繼而在LabVIEW虛擬儀器平臺上實(shí)現(xiàn)了簡易電子稱。使學(xué)生加深對理論內(nèi)容的理解和掌握，使得原本枯燥的理論教學(xué)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為貼近工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的一體化教學(xué)。大大拓展了學(xué)生的知識面，增加學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)和創(chuàng)新能力的同時(shí)，其直觀有趣的交互界面更激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神。