基于Multisim和LabVIEW的虚拟电子称

摘要：针对目前应变式传感器教学环节中存在的设备落后、缺乏生动形象的实验手段、与实际工程应用脱节等问题，把电路仿真软件Multis im用于教学实践，设计电阻应变片的测量电路，用压控电阻模拟被测重量，获得输出电压与被测重量的关系式。在LabVIEW软件平台上，不使用数据采集卡的前提下，实现简易虚拟电子称的功能。采用Multisim和LabVIEW软件设计的虚拟电子称，节省了硬件资源，加深了学生对理论知识的理解，提高了实验教学质量。
关键词：应变片式传感器；Multisim；LabVIEW；电子称

    电阻应变片是广泛应用的传感元件之一，其量程宽、体积小、携带方便和准确度高，在电子衡器中被广泛应用，因此在传感器的教学中占有非常重要的位置，其实验也是传感器课程诸多实验中必做的内容，对学生深入理解和掌握相关理论知识、培养实践能力和综合素质具有不可忽视的作用。在该课程的实验教学中，传统的实验方法仅停留在验证性的基本原理阶段，与实际联系不多，传统的实验电路通常又采用模块化设计，实验方法和手段因实验设备的定型而很难改动，缺乏直观性，严重束缚了学生的创造力，对实践能力的提高作用有限。随着新的测试技术的发展，电路仿真软件和虚拟仪器软件的不断涌现，为解决上述问题提供了良好的平台。学生可以在电脑上采用Multisim软件设计应变片的测量电路，进而在LabVIEW虚拟仪器软件平台上，完成对实验数据的处理和标定，从而实现电子称功能，在一定程度代替了实验室的硬件传统仪器设备和元器件。

1 应变式称重传感器
    应变式称重传感器主要由弹性体、电阻应变片和测量电路组成。其工作原理是：弹性体在外力作用下产生弹性形变，使粘贴在它表面的电阻应变片也随之产生形变，从而引起电阻应变片的阻值发生变化，通过相应的测量电路，把电阻变化转换为电信号输出，从而完成将重力转换为电信号的过程。
1．1 应变片的工作原理
    电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应，即当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值也相应地发生变化。实验证明，应变片的电阻相对变化量△R／R与轴向应变ε的关系在很大范围内是线性的。
     △R／R=k0ε      (1)
    式中：k0为应变片的灵敏度，在金属电阻丝拉伸比例极限内为常数。
1．2 应变式传感器的称重原理
    用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴在被测对象表面上，而根据引力应变的关系：
     σ=Eε      (2)
    这里所说的应力为单位面积所受外力，如果用作电子称，它与重物的质量满足如下关系：
     mg=σS     (3)
    式中：m为重物的质量；g为重力加速度；S为弹性体的截面积。
    根据以上各式可得到：
   

2 Multisim仿真
    Multisim是美国国家仪器(NI)公司推出的以Windows为基础的仿真工具。可提供4 000～17 000个电路元器件，除虚拟元件外基本采用实际参数模型，所实现的仿真具有较强的真实性。该仿真软件还提供了丰富的测试仪器和强大的电路分析手段，为正确验证电路功能和分析电路参数提供了有力保证。因此笔者尝试在Multisim平台上设计全桥电路将应变电阻变化转换为电路输出电压。
2．1 模型的建立
    应变片材料选用康铜，取应变片的灵敏度系数k0=2；弹性体选用钢制双弯曲梁，其弹性模量为E=21 400kg／mm2；其截面积S=100mm2；四个应变片R1，R2，R3，R4，不受力时的电阻值均为200 Ω；重力加速度g=9．8 m／s2，将上述参数带入式(4)，得到：
     △R=1．832×10-3m       (5)
    由于Multisim里面没有提供应变片的模型，用固定电阻R1，R2，R3，R4模拟的是不受压力时的应变片，采用压控源来模拟受力应变片的阻值变化，在电路连接上两者采用串联的方式，取系数为1．832 mΩ／V，V可以理解为物体的质量(kg)，V1，V2，V3，V4指代的是同一电压V(模拟重物质量)，根据差动电桥的原理，改变V的极性，即可构成全桥差动形式，仿真电路如图1所示。
2．2 放大电路设计
    差动电桥输出的电压信号极其微弱，采用三运放高共模抑制比放大电路将电桥输出电压放大。它由两级放大器组成两个对称同相放大器构成第一级，由集成运放OP07，R6，R7和Rw2组成同相输入式并联差分放大器，具有非常高的输入阻抗。第二级由OP07，R8，R9，R10和R11组成反向比例放大器。为方便调节，再加一级比例放大电路，并在电路的输出级接万用表。放大电路如图2所示。

2．3 综合电路仿真
    将放大电路的两输入端接地，调节滑动变阻器Rw3，使电路的输出近似为零，将电路中模拟物体重量的电压源的值设为零，调节Rw1，使万用表的示数为零，完成电路调零。在Multisim中，改变模拟实际重量的电压源V，相当于被测质量发生变化，虚拟电压表的电压也随之变化，扫描的范围为0～0．2 V，每隔0．02 V记录一次，得到10个电压数据，同时根据式(5)得到相应的电阻变化量的大小，数据如表1所示。
使用最小二乘法对以上数据进行拟合，所得拟合直线方程为：
    U0=270．2×△R         (6)
    代入式(4)，得到质量的表达式为：
   

3 LabVIEW的虚拟电子称
    LabVIEW是美国NI公司推出的虚拟仪器软件开发平台，在测控领域已得到迅速而广泛的应用。将虚拟仪器技术引入实验教学是高校进行实验室建设、改革实验教学的一个新的发展方向。在虚拟仪器软件系统中做各种传感器实验，在一定程度代替了实验室的硬件传统仪器设备，真正体现了虚拟仪器技术“软件即仪器”的独特魅力，有助于学生深刻理解传感器的测试功能，提高学生的实验兴趣和实验效率。
3．1 前面板设计
    在LabvIEW平台下，一个虚拟仪器由两部分组成：前面板和框图程序。前面板的功能等效于传统测试仪器的面板，是程序与用户交流的窗口，用于设置各种输入控制参数和观察输出量。本系统的前面板由输入控件和输出显示控件组成。输入控件用来输入仿真电路获得的电压值和重物的单价数值，将数据传送给VI的程序框图，为VI的程序框图提供数据。显示控件则模拟仪器的输出装置，用以显示程序框图获取或生成的数据。系统参数模块的几个固定参数以及电子称功能模块中的△R和质量m及其总金额显示模块均为数值显示控件。除此之外，前面板的设计中还包括了仪表盘显示面板和超重指示灯显示控件。电子称的前面板如图3所示。

3．2 程序框图设计
    程序框图相当于程序的源代码，是实现程序的核心，程序框图由节点、端口和连线等要素组成。

    首先从数值函数选板中选取“数值常量”节点，设置系统的固定常数，在各常量上点击右键选择创建指示器，并相应改变名称，如弹性模量E、应变片面积S，电阻尺，灵敏度k0等。测量电路的输出电压U0是非常重要的一个量，通常的虚拟电子称是利用数据采集卡来获得该电压值的。在本设计中由于在前面的Multisim电路仿真中已获得了输出电压，因此在函数选板中选择数值输入控件，即可在前面板中由键盘手动输入。而系统的电子称功能模块的运算函数则通过函数选板中的“数值选板”，根据公式(6)和(7)的关系式，选择相应的运算函数，完成连线即可。最后在函数模板中选取编程一数值一比较节点，系统设定重量大于500 g报警指示灯变红。系统的程序框图如图4所示。

4 结语
    基于Multisim对应变测量电路进行仿真设计，获得仿真结果，继而在LabVIEW虚拟仪器平台上实现了简易电子称。使学生加深对理论内容的理解和掌握，使得原本枯燥的理论教学和验证性实验转化为贴近工业生产实际的一体化教学。大大拓展了学生的知识面，增加学生动手机会和创新能力的同时，其直观有趣的交互界面更激发了学生的学习兴趣和探索精神。