傳感器虛擬實驗設計論文范文

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一、虛擬模型

1.彈性元件的虛擬模型根據導體材料的應變電阻效應，電阻的相對變化與應變之間的關系。為了獲得電橋輸出與載荷的關系，需要構建彈性元件的數學模型。電阻式傳感器的彈性元件結構有圓筒式、柱環式、懸梁式和輪輻式四種基本類型，各種不同的結構型式的彈性元件應變ε與載荷F的關系如下所示。（1）柱筒式彈性元件其中E為彈性模量，A為橫截面積。（2）柱環式彈性元件其中R0為內環半徑，b為柱環寬度，h為柱環厚度，E為彈性模量。（3）懸梁式彈性元件其中l為有效長度，b為懸梁寬度，h為懸梁厚度，E為彈性模量。（4）輪輻式彈性元件其中b為輪輻條厚度，h為輪輻條寬度，G為剪切模量。將四種彈性元件類型設計在一個子VI中，通過操作“彈性元件類型”下拉列表進行選擇。

2.虛擬電橋模型電橋是目前常用的電阻式傳感器測量電路，整個電橋電路由四個橋臂組成，當橋臂接入應變電阻時則成為應變電橋。當有一個臂被接入應變電阻時，被稱為單臂電橋；兩個臂被接入應變電阻時則為雙臂電橋（也稱半橋）；四個臂均被接入應變電阻時則稱為全橋。在橋路中均未接入應變電阻時。

3.電阻屬性和接橋方式設計前面板（如圖1所示）上電橋部分的電阻屬性分為固定電阻、應變電阻和平衡電阻三種，應變電阻的貼片方式分為受拉應力和受壓應力。（1）電阻屬性。圖1中的電阻R1的屬性只有兩種：應變電阻和固定電阻。該屬性通過操作“R1”設置開關進行選擇。若R1為應變電阻屬性，其阻值會隨載荷F的增減而產生相應的ΔR1以及因溫度變化產生的ΔR1t。電阻R2的屬性與R1相同。通過操作“R2”設置開關可以選擇R2的屬性。若R2作為應變電阻，則會隨載荷F的增減而產生相應的ΔR2以及因溫度變化產生的ΔR2t。若操作“差動設置”開關，則可使R2的受力方式為受壓應力，從而會隨載荷F的增減而產生相應的-ΔR2以及因溫度變化產生的ΔR2t。R3，R4需要參與調平電路的設計，因此接線也會相對復雜。通過操作“R3”和“R4”設置開關對該電阻進行屬性操作。圖中出現的Rr顯示框為調零電路中的R5的右半部分與R6串聯然后再與R3并聯后的阻值。Rl顯示框為R5的左半部分與R6串聯后再與R4并聯后的阻值。（2）接橋方式的設計。虛擬前面板上的電橋工作方式分別為：不工作、單臂工作，半橋工作和全電橋工作方式四大類型。對于半橋和全橋方式，其中應變片又分為差動和非差動兩種布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都設置成固定電阻。該方式無論怎樣施加外力，輸出始終為零。單臂工作時將R1設置為應變電阻，R2、R3、R4設置為固定電阻。此時，按“R1”按鈕，“R1”按鈕變綠，圖中應變電阻R1如果顯示向上的箭頭，表明該應變電阻受拉應力，對應電阻值增大；如果應變電阻R1顯示向下的箭頭，表明該應變電阻受壓應力，對應電阻值減小。半橋非差動工作時，R1、R2設置為應變電阻，R3、R4設置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1、R2上的箭頭方向一致，表示應變片受到相同性質的應力，此時電橋輸出基本為零。半橋差動工作時，R1、R2設置為應變電阻，R3、R4設置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1顯示向上箭頭，R2顯示向下的箭頭，表示對應的應變片受到拉應力和壓應力。全橋非差動工作時R1、R2、R3、R4屬性均為應變電阻，此時，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按鈕，均變為綠色。四個電阻上的箭頭方向一致，表明四個電阻受相同性質的應力，此時電橋輸出基本為零。全橋差動工作時，“R1”、“R3”電阻箭頭向上，表示受拉應力；“R2”“R4”箭頭向下，表示受壓應力。

4.溫度誤差計算及補償在討論應變計的工作特性時通常是以溫度恒定為前提的，但在實際應用過程中，工作溫度可能會發生變化，從而導致應變電阻的阻值發生變化。設工作溫度變化為Δt℃，則由此引起粘貼在試件上的應變電阻的相對變化為。將公式（11）代入公式（7）-（10），即可以計算出溫度變化時的電橋輸出，該輸出即為溫度誤差。單臂工作時，采用補償塊法進行溫度誤差補償，該方法利用兩塊參數相同的應變計R1、R2，R1貼于試件上并接入工作臂，R2貼于與試件材料相同溫度環境的補償塊上，但該補償塊不參與機械應變，同時接入電橋相鄰臂作為補償臂。當接通電源并施加負載時，補償臂產生的熱輸出與工作臂產生的熱輸出相同，則可達到溫度誤差補償的目的。對于半橋差動和全橋差動工作方式，根據公式（10）的和差特性即能進行溫度誤差補償。5.非線性誤差計算及補償公式（10）是對公式（9）進行線性化后的輸出。對于單臂工作時，非線性誤差可以通過在電路中加入補償臂（該臂不受外加應力作用）。對于半橋差動和全橋差動工作方式，不需要外接補償電路，因為差動工作方式具有很好的非線性補償作用。

二、虛擬操作面板的設計

用LabVIEW軟件開發虛擬儀器，用戶能“量身定制”儀器的操作面板。本實驗根據真實的電阻式傳感器實驗電路接線圖作為虛擬儀器的操作面板，能直觀地闡述電阻式傳感器實驗原理及操作方式，虛擬面板如圖1所示，主要包括虛擬彈性元件選擇、應變電阻布片方式選擇、電橋接法選擇、電橋調零模塊、差動放大模塊、直流電源模塊。此外前面板還包括電阻、外力、溫度的賦值等。

三、遠程虛擬實驗的演示步驟

電阻式傳感器實驗的遠程操作分別由DataSocket技術與Web網絡工具來實現。DataSocket技術以及網絡化技術的結合使虛擬儀器的遠程控制成為可能，可在若干計算機上對傳感器虛擬實驗進行操作及數據處理。這為傳感器虛擬實驗的互動教學提升了便捷性。電阻式傳感器虛擬實驗的遠程操作過程如下：第一步，打開服務器網頁。第二步，輸入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，選擇彈性元件類型。第四步，設置接橋和布片方式。第五步，打開電源開關。第六步，調節調零電位計，直至電橋近似達到初始平衡狀態。第七步，點擊“施力F”按鈕。第八步，查看客戶端網頁，查看電橋輸出曲線。第十步，點擊服務器面板中的“復位鍵”，使所有選項、開關及輸入數據均清零和初始化。第十一步，關閉電源開關。

四、結束語

電阻應變片傳感器遠程虛擬實驗設計充分利用了LabVIEW虛擬儀器開發環境的優勢及特性，實現了較為完善的仿真真實儀器的實驗操作過程，人機操作界面友好。結合DataSocket及Web等工具實現了虛擬實驗的遠程測控，大大提升了該虛擬實驗的實用性。在做傳統電阻式應變片傳感器實驗之前，學生可以隨時隨地進行該傳感器的虛擬實驗，不僅能使學生加深對傳感器理論知識的理解，而且能幫助學生在做傳統實驗時減少接線錯誤，理解傳統實驗的輸出特性。該虛擬實驗是傳統實驗的有益補充。

作者：劉瑞蘭谷志翔單位：南京郵電大學通達學院南京郵電大學自動化學院