摘要：針對目前應變式傳感器教學環(huán)節(jié)中存在的設備落后、缺乏生動形象的實驗手段、與實際工程應用脫節(jié)等問題，把電路仿真軟件Multis im用于教學實踐，設計電阻應變片的測量電路，用壓控電阻模擬被測重量，獲得輸出電壓與被測重量的關系式。在LabVIEW軟件平臺上，不使用數(shù)據(jù)采集卡的前提下，實現(xiàn)簡易虛擬電子稱的功能。采用Multisim和LabVIEW軟件設計的虛擬電子稱，節(jié)省了硬件資源，加深了學生對理論知識的理解，提高了實驗教學質量。
關鍵詞：應變片式傳感器；Multisim；LabVIEW；電子稱
電阻應變片是廣泛應用的傳感元件之一，其量程寬、體積小、攜帶方便和準確度高，在電子衡器中被廣泛應用，因此在傳感器的教學中占有非常重要的位置，其實驗也是傳感器課程諸多實驗中必做的內容，對學生深入理解和掌握相關理論知識、培養(yǎng)實踐能力和綜合素質具有不可忽視的作用。在該課程的實驗教學中，傳統(tǒng)的實驗方法僅停留在驗證性的基本原理階段，與實際聯(lián)系不多，傳統(tǒng)的實驗電路通常又采用模塊化設計，實驗方法和手段因實驗設備的定型而很難改動，缺乏直觀性，嚴重束縛了學生的創(chuàng)造力，對實踐能力的提高作用有限。隨著新的測試技術的發(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。學生可以在電腦上采用Multisim軟件設計應變片的測量電路，進而在LabVIEW虛擬儀器軟件平臺上，完成對實驗數(shù)據(jù)的處理和標定，從而實現(xiàn)電子稱功能，在一定程度代替了實驗室的硬件傳統(tǒng)儀器設備和元器件。
1 應變式稱重傳感器
應變式稱重傳感器主要由彈性體、電阻應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生彈性形變，使粘貼在它表面的電阻應變片也隨之產生形變，從而引起電阻應變片的阻值發(fā)生變化，通過相應的測量電路，把電阻變化轉換為電信號輸出，從而完成將重力轉換為電信號的過程。
1．1 應變片的工作原理
電阻應變片的工作原理基于電阻應變效應，即當金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值也相應地發(fā)生變化。實驗證明，應變片的電阻相對變化量△R／R與軸向應變ε的關系在很大范圍內是線性的。
△R／R=k0ε (1)
式中：k0為應變片的靈敏度，在金屬電阻絲拉伸比例極限內為常數(shù)。
1．2 應變式傳感器的稱重原理
用應變片測量受力應變時，將應變片粘貼在被測對象表面上，而根據(jù)引力應變的關系：
σ=Eε (2)
這里所說的應力為單位面積所受外力，如果用作電子稱，它與重物的質量滿足如下關系：
mg=σS (3)
式中：m為重物的質量；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為基礎的仿真工具。可提供4 000～17 000個電路元器件，除虛擬元件外基本采用實際參數(shù)模型，所實現(xiàn)的仿真具有較強的真實性。該仿真軟件還提供了豐富的測試儀器和強大的電路分析手段，為正確驗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平臺上設計全橋電路將應變電阻變化轉換為電路輸出電壓。
2．1 模型的建立
應變片材料選用康銅，取應變片的靈敏度系數(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；四個應變片R1，R2，R3，R4，不受力時的電阻值均為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里面沒有提供應變片的模型，用固定電阻R1，R2，R3，R4模擬的是不受壓力時的應變片，采用壓控源來模擬受力應變片的阻值變化，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量(kg)，V1，V2，V3，V4指代的是同一電壓V(模擬重物質量)，根據(jù)差動電橋的原理，改變V的極性，即可構成全橋差動形式，仿真電路如圖1所示。
2．2 放大電路設計
差動電橋輸出的電壓信號極其微弱，采用三運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對稱同相放大器構成第一級，由集成運放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，調節(jié)滑動變阻器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為零，調節(jié)Rw1，使萬用表的示數(shù)為零，完成電路調零。在Multisim中，改變模擬實際重量的電壓源V，相當于被測質量發(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個電壓數(shù)據(jù)，同時根據(jù)式(5)得到相應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)進行擬合，所得擬合直線方程為：
U0=270．2×△R (6)
代入式(4)，得到質量的表達式為：
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，在測控領域已得到迅速而廣泛的應用。將虛擬儀器技術引入實驗教學是高校進行實驗室建設、改革實驗教學的一個新的發(fā)展方向。在虛擬儀器軟件系統(tǒng)中做各種傳感器實驗，在一定程度代替了實驗室的硬件傳統(tǒng)儀器設備，真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術“軟件即儀器”的獨特魅力，有助于學生深刻理解傳感器的測試功能，提高學生的實驗興趣和實驗效率。
3．1 前面板設計
在LabvIEW平臺下，一個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)模塊的幾個固定參數(shù)以及電子稱功能模塊中的△R和質量m及其總金額顯示模塊均為數(shù)值顯示控件。除此之外，前面板的設計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 程序框圖設計
程序框圖相當于程序的源代碼，是實現(xiàn)程序的核心，程序框圖由節(jié)點、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，設置系統(tǒng)的固定常數(shù)，在各常量上點擊右鍵選擇創(chuàng)建指示器，并相應改變名稱，如彈性模量E、應變片面積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。在本設計中由于在前面的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輸入。而系統(tǒng)的電子稱功能模塊的運算函數(shù)則通過函數(shù)選板中的“數(shù)值選板”，根據(jù)公式(6)和(7)的關系式，選擇相應的運算函數(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，系統(tǒng)設定重量大于500 g報警指示燈變紅。系統(tǒng)的程序框圖如圖4所示。
4 結語
基于Multisim對應變測量電路進行仿真設計，獲得仿真結果，繼而在LabVIEW虛擬儀器平臺上實現(xiàn)了簡易電子稱。使學生加深對理論內容的理解和掌握，使得原本枯燥的理論教學和驗證性實驗轉化為貼近工業(yè)生產實際的一體化教學。大大拓展了學生的知識面，增加學生動手機會和創(chuàng)新能力的同時，其直觀有趣的交互界面更激發(fā)了學生的學習興趣和探索精神。
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