基于模拟软件的传感器教学方法研究

冯斌+杜玉军

摘要：针对目前传感器教学中存在的理论教学和实验操作无法很好结合的问题，提出了使用仿真软件进行传感器教学设计，用仿真软件模拟各种传感器，并进行传感器测量电路的设计和分析，使学生对各种传感器及其应用有直观的印象。实践证明通过仿真软件的使用，能够提高学生的学习兴趣，降低学习难度，提升教学效果。

关键词：教学方法；传感器；仿真

F272.92-4；G642.4

传感器课程是机械电子类、电子信息类、自动化类、测控技术与仪器类等工科专业的一门重要专业基础课，课程内容涉及到各类传感器的检测原理、结构以及相关测量电路的知识。传感器在工业领域以及人们的生活中应用十分广泛，使学生能掌握传感器的工作原理，并能够在将来的工作中灵活应用，是提高教学质量和培养应用型人才的一个重要内容[1，2]。在教学中发现，对学生进行理论教学时，学生普遍反映教学内容抽象，不容易理解。传感器的实验教学在理论教学之前进行，由于教学时间和实验器具的限制，一般都是采用实验箱来完成，并不能保证每个学生都有时间亲自去操作，实验教学的效果并不理想。基于以上问题，考虑能否采用目前比较成熟的模拟软件来代替实验教学，并将其融入理论教学中，让学生自己设计传感器电路，实现传感器信号由非电量信号到电量信号的转换。这样不仅能激发学生的学习兴趣，提供教学效果，而且对同一个传感器的转换信号可以通过不同的测量电路来实现，使学生主动去思考，主动去实际，有利于提高学生的创新实践能力。

一、传感器教学模式中存在的问题

目前，我们的传感器教学主要分为传感器課堂教学和实验操作两部分来完成，而且实验操作是在理论教学之前的一个学期完成，这两部分的教学过程都不同程度地存在一些问题。

课程教学中主要介绍一些传感器的物理性质，测量原理，常用的测量电路，以及在工业领域中的应用情况等。在给学生讲解这些内容时，由于大部分学生没有接触过工业现场，所以对讲解的内容缺乏感性认识，只能靠死记硬背来对付考试。在讲解理论的过程中用不能把实验装置搬到课堂上，因为实验装置的前期准备、调试就可能耗去一般的课堂时间，而在课堂中通过几张幻灯片和几个动画的演示是不可让学生和实际实验联系起来的。

传感器的课外实验由于开着理论教学之前，在做实验时老师只是大概介绍一些工作原理，让学生分组进行操作。大部分的实验过程都是连接导线，运行仪器，做一些微量调节，观察实验效果。学生没有充实的理论基础，跟着实验指导书按部就班的做完实验，对传感器的具体工作原理，测量电路中的元器件、测量程序都无从知晓。

二、 仿真软件在传感器教学中的应用

1. 模拟仿真软件的选择

传统的实验教学设备着重在向学生演示传感器的工作原理及测量电路，内容单一枯燥、硬件设备容易损坏。而采用模拟软件不存在传统仪器设备的缺点，可以作为传感器实验演示、训练平台[3-5]。常用的模拟软件有LabVIEW软件、Multisim软件、Proteus软件。经过比较，Proteus软件可以进行直观的模拟/数字电路、单片机、ARM等的仿真，可以方便的从原理图设计转到PCB设计，另外该软件体积小，操作简单，元器件库比较齐全，使用者很容易上手[6]。经过比较，确定用Proteus软件作为传感器教学中使用的仿真软件。

2. Proteus软件在传感器教学中应用

使用Proteus软件进行传感器及其测量电路的设计是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合应用。在教学实践中，通过该软件的使用，在不需要购买实际硬件的条件下，就能使学生搭建传感器的仿真模型及测量电路，增加了学生对传感器工作原理的感性认识，比单纯的理论学习更容易接受。学生通过该软件，可以发挥出更大的主动学习兴趣，独立设计出传感器的仿真电路来完成一些设计性实验。

在传感器的课堂教学中，运用Proteus软件能够增加教学的生动性，帮助学生理解抽象的理论知识。例如在讲解应变式传感器的测量电路时，教师可以利用事先设计好的电桥电路，通过软件中的虚拟仪器测量应变片电阻改变后，电桥各个节点的输出电压，与测量公式的计算结果进行比较，使抽象的理论分析和实际电路变化对应起来，以提高学生的认识和理解。

传感器在工业生产和日常生活中应用广泛，在教学中只是讲授传感器的原理及功能，常常使学生感到迷茫，不知道学这些有什么用。通过Proteus软件的使用，学生利用自己设计的电路将传感器感知的非电量转换成与被测量相关的电信号，根据学习的理论知识分析传感器测量电路的性能，通过改变不同的参数，能直观地观察电路的输出信号变化，这样不仅加深了对理论学习的印象，更有益于提高学生的学习兴趣。另外，如果设计的测量电路比较满意，还可以利用该软件很容易的设计出相应的PCB电路板，焊接元器件后，就是一件很好的作品，使学生有设计的成就感。

三、 应用实例

1. 光电式传感器的Proteus仿真

以光电传感器的教学实例来说明Proteus在教学实践中的应用。光电式传感器的工作原理是基于光电效应，光电效应有外光电效应（光电发射）和内光电效应（光电导）之分，利用外光电效应工作的器件主要有光电管、光电倍增管等，利用内光电效应工作的器件主要是光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等[7]。这些都是常见的光电传感器，其中以光电导式光电传感器的应用最为广泛。

图1是光敏电阻传感器的仿真实验。当有光照射时，其电阻值降低，光照越强，阻值越小，其暗电阻一般为1MΩ，其亮电阻（当光照为10lx时）一般为几百欧姆到几千欧姆。图中，点击光源左边的上下箭头可以改变光源与光敏电阻之间的距离，从而改变光源照射到光敏电阻上的光强。当照射到光敏电阻上的光能量改变时，其产生的光电流随之变化，从而在取样电阻R1上产生不同的电压。图中光敏电阻产生的光电流为25μA，通过R1时产生的电压降为2.5V，与电压表测得的电压相同。

如果采用实际的器件向学生演示该实验，将占据课堂大部分时间，而采用Proteus軟件制作的仿真电路，基本不占据课堂时间，又能结合光电效应理论理论，加深学生对光电导效应及其应用的理解。

2. 热电式传感器的Proteus仿真

热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，热敏电阻是最常用的一种热电式传感器。以下实验以铂热电阻PT100为例进行仿真，其阻值会随着温度的变化而改变。PT100表示它在0℃时阻值为100Ω，在100℃时它的阻值为138.5欧姆。用供电电流为1.5mA的恒流源作为供电电源，设计一个单运放查分放大电路，当温度为100℃时，输出电压为5V，仿真电路如图2所示。

图2所示的电路是一种热敏电阻四线制的接法，通过该电路可以向学生演示热敏电阻的测温原理，以及热敏电阻的四线制测量电路。当然，通过Proteus软件还可以方便的演示热敏电阻的其他测量电路，如二线制、三线制测量电路。

四、结语

传感器是一门应用性比较强的课程，而理论教学又比较抽象，在教和学的过程中教师和学生都比较吃力。本文通过在理论教学的课堂中引入传感器的Proteus仿真模型，使教师在讲授传感器理论的同时，配合传感器仿真模型及相应的测量电路，把传感器的测量理论和实际设计、应用结合起来，不仅能促进课程和教学改革，而且能极大提高学生的学习兴趣与创新能力，利用仿真软件的便利性，引导学生利用所学的理论展开丰富的实践应用。因此仿真软件在传感器教学中的应用值得广大教师进行研究和推广。

参考文献：

[1]张红. 传感器课程教学现状分析与改革对策[J]. 中国现代教育装备，2010（3）：112-114

[2]刘晓旻，张晓芳等. 现代工程教育理念下的传感器课程教学改革[J]. 中国电力教育，2010（8）：107-110

[3]周利，祝杰. 传感器课程内容革新及实验教学改革与实践[J]. 中国电力教育，2013（2）：141-144

[4]黄伟，翟江辉. 虚拟仪器技术在传感器及实验教学中的应用[J]. 科技信息，2012（31）：266

[5]龙脉工作室. LabVIEW8.2中文版入门与提高[M]. 北京：人民邮电出版社，2010：3-5

[6]周润景，等. 基于Proteus的电路及单片机设计与仿真[M]. 北京：北航出版社，2010

[7]周灵彬，任开杰等. 基于Proteus的电路与PCB设计[M]. 北京：电子工业出版社，2010

作者简介：冯斌（1977-），男，河南荥阳人，西安工业大学光电学院，讲师。