引言

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，傳統的實驗方法僅停留在驗證性的基本原理階段，與實際聯系不多，傳統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造力，對實踐能力的提高作用有限.隨著新的測試技術的發展，電路仿真軟件和虛擬儀器軟件的不斷涌現，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，完成對實驗數據的處理和標定，從而實現電子稱功能，在一定程度代替了實驗室的硬件傳統儀器設備和元器件.

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生機械變形時，其電阻值也相應地發生變化.實驗證明，應變片的電阻相對變化量ΔR /R 與軸向應變ε 的關系在很大范圍內是線性的.

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.

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，而根據引力應變的關系：

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：

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模型，所實現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提供了有力保證.因此嘗試在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 ,將上述參數帶入式（4），得到：

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的方式，取系數為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，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Rw1,使萬用表的示數為零，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個電壓數據，同時根據式（5）得到相應的電阻變化量的大小，數據如表1所示.

使用最小二乘法對以上數據進行擬合，所得擬合直線方程為：

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展方向.在虛擬儀器軟件系統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儀器設備，真正體現了虛擬儀器技術“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和觀察輸出量.本系統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值，將數據傳送給VI的程序框圖，為VI的程序框圖提供數據.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據.系統參數模塊的幾個固定參數以及電子稱功能模塊中的ΔR 和質量m 及其總金額顯示模塊均為數值顯示控件.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，是實現程序的核心，程序框圖由節點.端口和連線等要素組成.

首先從數值函數選板中選取“數值常量”節點，設置系統的固定常數，在各常量上點擊右鍵選擇創建指示器，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據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，因此在函數選板中選擇數值輸入控件，即可在前面板中由鍵盤手動輸入.而系統的電子稱功能模塊的運算函數則通過函數選板中的“數值選板”,根據公式（6）和（7）的關系式，選擇相應的運算函數，完成連線即可.最后在函數模板中選取編程-數值- 比較節點，系統設定重量大于500 g 報警指示燈變紅.系統的程序框圖如圖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新能力的同時，其直觀有趣的交互界面更激發了學生的學習興趣和探索精神.