王巧兰,　林育兹

(厦门大学 a 嘉庚学院，福建 漳州 363105;b 航空航天学院， 福建 厦门 361005)

0　引　言

《传感器与检测技术》是我校机械电子、车辆工程、电气工程及自动化、电子工程、通信工程、自动化等工科专业的必修课，也是一门理论与实践结合紧密的专业课程。随着智能化仪器仪表技术的发展，越来越凸显出传感器在工程应用的重要性。在传感器实验中，由于时数等因素限制，易造成学生操作不当而损坏实验设备，也存在一些按部就班连线的现象，难以达到实验效果[1-4]。从学生反馈信息表明，其主要原因是传感器教学内容过于抽象，在有限时间和空间下，对理论知识难以深入理解，同样对实验技能也就难以有效掌握。

本文以霍尔传感器的指南针仿真为例展开描述，将较抽象的传感器原理和测试电路原理形象化、可视化。其他类型的传感器也采用此方法进行建模仿真，从而提高教学和实验的效果。

1　开发工具框架

传感器仿真实验是基于NI公司LabVIEW和Multisim软件进行开发的。使用工具的安装顺序为LabVIEW、Control Design & Simulation Module、Multisim，同时应保证新安装的软件不低于已安装的版本。软件之间的关联如图1所示，通过Control Design & Simulation Module，LabVIEW将控制参数传输给Multisim，而后者实时仿真并将仿真结果返回给前者。搭建好软件开发环境后，就可以进行仿真实验的开发[5-7]。

图1开发工具框架

2　基于霍尔传感器的指南针的系统实现

2.1　系统框图分析

霍尔传感器分线性型和开关型，要正确指示方向及偏离角度，应选用线性型[8-9]。本文选用线性霍尔效应传感器UGN3503。该芯片的主要参数如表1所示。由表1可知：工作电源4.5～6 V，传感器在休眠状态时输出电压是2.5 V，典型的灵敏度是1.3 mV/G。因此霍尔传感器的输出电压表达式为

U=2.5+Bcosθ×1.3×10-3V

(1)

式中:B为磁场强度;θ为磁场和霍尔片法线的夹角。

表1　UGN3503的电气特性(UCC =5 V，TA=+25 ℃)

此传感器用于地磁测量时，由于地磁场强度为0.25～0.65 G(本文取0.6 G)，因此式(1)可写为

U=2.5+0.6cosθ×1.3×10-3V

(2)

由式(2)可知，地磁线与霍尔片法线的夹角θ变化，则传感器的输出电压也随之变化，且霍尔传感器输出电压的变化量非常小。因此根据输出电压测量值，可以推导出偏离北极的角度。

由于传感器输出电压的变化量微弱，故后续需经过电路放大。为了减少传感器受外界噪声的影响，使用两个霍尔效应传感器，放置时方向相反，当其中一个传感器输出正电压时，另一个传感器必然输出负电压，正、负电压再分别输出连接到差分放大器上。

传感器和测试电路的仿真模型均由Multisim实现。其方向的位置变换及指示、过程计算则由LabVIEW完成[10～13]。根据前面的分析，设计该实验系统的基本结构如图2所示。

图2霍尔效应传感器实验系统框图

2.2　具体仿真电路实现

根据式(2)，在Multisim中建立相应的仿真模型代替线性霍尔效应传感器UGN3503[14～15]，如图3所示。通过电压源和压控电压源来模拟实际霍尔传感器的输出电压。UIP和UIN是Multisim和LabVIEW交互数据的接口，在LabVIEW中输入的具体数值来模拟，即垂直于霍尔传感器平面的地磁强度。因两传感器放置方向相反，所以UIP和UIN的输入模值相等，符号相反，即分别为±0.6×cosθ。输出电压

U2=2.5+0.6cosθ×1.3×10-3V

U4=2.5-0.6cosθ×1.3×10-3V

为后续计算式方便，设ΔU=0.6cosθ×1.3×10-3V。

图3霍尔传感器UGN3503的仿真模型

传感器输出的差分放大器及反相比例放大电路如图4所示。图中，U1A是差分放大。根据运算电路的基本分析方法[16]，可得U1=2.5-2ΔU；因此再通过U1C放大100倍来增大输出电压的变化量。U1D是电压跟随器，R8滑变电阻器用于补偿偏移电压。U1C的输出电压为

Uo=(U3-2.5)100+200ΔU+U3

通过调节R8可以得到合适的，使U1C的输出电压足够驱动下一级比较器。按照理论分析其输出电压应与模拟输入的地磁强度成正比，具体可通过DC Sweep看到两者的线性关系，如图5所示。图5(a)的横坐标VV3是模拟地磁强度0.6cosθ，纵坐标是U0的值；图5(b)是其具体的数值对应关系。

图4放大电路

图5U0与地磁强度的关系

为便于学生制作指南针硬件电路，可根据具体的参数设置合适的阈值。当大于阈值才能驱动后续电路使发光二极管点亮，实现方向的指示，具体电路如图6所示。图中，U1B为电压比较器，其反相输入端的参考电压约3.2 V。因此当同相输入端(U1C的输出U0)超过3.2 V时，U1B输出高电平，三极管Q1导通，LED(指向北方)点亮。根据图4分析可知：U0受滑变电阻R8影响。因此指南针转动360°时，调节图4中的R8，使LED在很小的一个弧度段内点亮。一旦确定弧线边界两个LED点亮的点，则弧线中心即为地磁北极。通过Multisim的DC Sweep可以直观地观测到输入地磁场强度与比较器输出电压之间的关系，如图7所示。横坐标是地磁强度0.6cosθ，纵坐标为比较器U1B的输出，当高电平时可驱动LED点亮。由图可知地磁强度约0.592 G以上就可以点亮(偏移地磁北极约10°范围内)，调节R8可进一步调整偏移地磁北极的角度。

图6LED指示电路

图7地磁强度与驱动LED的电压关系

至此，完成了Multisim的电路设计。通过霍尔线性传感器和放大电路能将地磁强度转换为相应的电压值，并设置一定的阈值，当角度小于某个值时，让LED指示灯点亮。

要实现Multisim与LabVIEW的联合仿真，需要设置两者之间的接口。通过添加HB-SC Connector端口，并在Mutisim中的LabVIEW Co-simulation Terminal设置端口的名称和属性。

2.3　虚拟仪器的实现

通过指示灯点亮的方式不够直观，因此考虑结合LabVIEW在数据处理和人机交互方面的优势，将指南针设计以数字化的界面来直观显示。

虚拟仪器由前面板和程序框图两部分组成，前面板是人机交互接口，程序框图完成相应的功能。具体的指南针虚拟仪器如图8所示。

(a)前面板

(b)程序框图

图8虚拟仪器的前面板和程序框图

图8(a)的“模拟方向”是模拟两个霍尔传感器检测的地磁强度，由于两传感器摆放方向相反，故感应值也相反。输入的值为±0.6cosθ，当霍尔片法线与地磁线一致时为±0.6 G；图中输入的0.592约偏离地磁线9.5°。指示盘显示目前的指向以及与北极偏离的角度值，当偏离角度小于10°时指示灯点亮。图中的测量结果(9.818°)与设置的值(9.5°)误差较小。在图8(b)程序框图中，“指南针电路”即Multisim Model；前面板设置的“模拟方向”值通过指南针电路后，得到相应的UVoltage_Out输出值(图4放大器U1C的输出电压)。LabVIEW通过UVoltage_Out分析计算当前指针与北极的角度值，计算参照本文2.2的方法。设计时，调节图4中的R8得到U3为2.505 549 V；U1B电压比较器反相输入端的参考电压约3.2 V。最终的测量误差如表2所示，随着夹角减小，误差增大，但总体不超过1°。实际制作电路板时，由于器件的精度等固有的原因，误差比仿真结果要大些，但整体也能限制在2°左右。注意，由于电压变化量小，在制作硬件电路时应选用精密电阻，以减小误差。

表2　测量结果分析表

许多区域的地磁北极会偏离地理北极。若要修正，可在程序框图的偏离角度处进行简单的加减运算即可完成。

按预期完成程序并做好源程序备份后，利用LabVIEW的Web发布工具(工具—Web发布工具)将程序发布到网站上。在没有安装LabVIEW和Multisim软件的电脑上也能够操作，IE中打开Web发布的地址，用户可以修改参数，以观察分析运行结果。这样就能方便地进行交互式操作，提高实验效果，并可部分解决缺少硬件或硬件难以实验的问题。

3　结　语

本文结合Multisim和LabVIEW仿真工具设计的传感器仿真实验软件，建立了霍尔传感器的实验模型，完成了测试电路的分析，并在LabVIEW中完成电路数据的处理及输入输出数据的显示，实现了传感器信号采集、处理及数据显示。这种联合仿真方式可以增强学生对传感器原理的理解，加深测量测试电路的认识，便于理顺系统设计的思路，有助于学生掌握传感器的理论及应用。该仿真方式较好地将抽象的知识以图形图像的形式直观展示。将开发的程序发布到网站上，用户即使没有安装软件也可通过IE浏览器方便开展虚拟仿真实验，提高了软件的操作性且不受时间地点限制。其他传感器的建模仿真步骤与此相同。实践表明：学生先完成系统仿真后再进行实际电路的实验，出错率显著下降，设备损坏率明显降低，并加深了系统设计的概念，提高了教学的有效性。

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