基于Multisim和LabVIEW的虚拟电子称

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。