通過Multisim仿真軟件和LabVIEW軟件實現(xiàn)簡易虛擬電子稱的功能

引言

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，其實驗也是傳感器課程諸多實驗中必做的內(nèi)容，對學(xué)生深入理解和掌握相關(guān)理論知識.培養(yǎng)實踐能力和綜合素質(zhì)具有不可忽視的作用.在該課程的實驗教學(xué)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(shè)計，實驗方法和手段因?qū)嶒炘O(shè)備的定型而很難改動，缺乏直觀性，嚴(yán)重束縛了學(xué)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(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，完成對實驗數(shù)據(jù)的處理和標(biāo)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(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，其電阻值也相應(yīng)地發(fā)生變化.實驗證明，應(yīng)變片的電阻相對變化量ΔR /R 與軸向應(yīng)變ε 的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的.

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，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：

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：

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Win-dows為基礎(chǔ)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(qiáng)的真實性.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，為正確驗證電路功能和分析電路參數(shù)提供了有力保證.因此嘗試在Multisim 平臺上設(shè)計全橋電路將應(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 = 21 400 kg/mm2 ;其截面積S = 100 mm2 ;四個應(yīng)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：

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)差動電橋的原理，改變V 的極性，即可構(gòu)成全橋差動形式，仿真電路如圖1所示.

2.2 放大電路設(shè)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(gòu)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(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個電壓數(shù)據(jù)，同時根據(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：

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)引入實驗教學(xué)是高校進(jìn)行實驗室建設(shè).改革實驗教學(xué)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(shè)備，真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)“軟件即儀器”的獨特魅力，有助于學(xué)生深刻理解傳感器的測試功能，提高學(xué)生的實驗興趣和實驗效率.

3.1 前面板設(shè)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(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ΔR 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

程序框圖相當(dāng)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(shè)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(yīng)改變名稱，如彈性模量E?應(yīng)變片面積S,電阻R,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(shè)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(guān)系式，選擇相應(yīng)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-數(shù)值- 比較節(jié)點，系統(tǒng)設(shè)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(jié)語

基于Multisim對應(yīng)變測量電路進(jìn)行仿真設(shè)計，獲得仿真結(jié)果，繼而在LabVIEW 虛擬儀器平臺上實現(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)和驗證性實驗轉(zhuǎn)化為貼近工業(yè)生產(chǎn)實際的一體化教學(xué).大大拓展了學(xué)生的知識面，增加學(xué)生動手機(jī)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神.