虛擬仿真電容式傳感器設計

王革思，潘大鵬，國 強，于 蕾，席志紅

虛擬仿真電容式傳感器設計

王革思，潘大鵬，國 強，于 蕾，席志紅

（哈爾濱工程大學 國家級電工電子實驗教學示范中心，黑龍江 哈爾濱 150001）

從解決工程項目中的熱點技術問題出發，梳理、擇選、整合、優化電子技術基礎課程內容，設計了一種虛擬仿真電容式傳感器，不僅傳授了理論知識的應用，同時還傳授了工程實踐技能，非常適合當前創新創業教育。該傳感器包含的激勵信號產生電路、C-U 轉換電路、幅度檢測電路，還可以作為單獨的實驗項目。開發新的工程實驗項目，有助于培養學生的工程意識和工程實踐能力，促進教師教學水平與科研能力的提升。

電容式傳感器；激勵信號產生電路；C-U轉換電路；虛擬仿真；位移測量

“電子技術基礎”是國內高校電子信息類專業的重要支撐課程。該課程工程性、實踐性、創新性較強，知識外延寬廣、綜合交叉。從目前課堂教學情況看，主要重視與理論知識相關的概念、原理、推導、分析和設計學習，卻很少讓學生真正懂得所學知識的目的、用途及價值，難以激發學生的興趣和主動性，不利于培養學生獨立思考問題和解決復雜工程問題的能力。從學生的需求出發,以當前工程技術中比較熱門的傳感器技術為引領，對現有的課程內容進行梳理、擇選、整合和優化，將教、學、做、研相結合[1-6]，設計完成了虛擬仿真電容式傳感器實驗項目。

1 背景與思路

人類在研究自然現象和規律以及生產實踐活動中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息。在工業控制、宇宙開發、海洋勘探、環境監測等廣泛領域，每一個大的工程項目，都需要借助各種類型傳感器來獲取有重要價值的信息。目前傳感器技術已經在發展社會經濟、推動社會進步方面發揮著越來越重要的作用。

傳感器是將被測物理量，如溫度、壓力、流量、液位等，按照一定規律轉換成電信號的器件。針對當前教學中普遍存在著傳感器結構復雜、電信號產生機理難以認知[7]以及實驗原理樣機制作困難等問題，依據電容式敏感元件結構模型、測量技術等，結合課程教學內容，提出虛擬仿真電容式傳感器實驗項目設計方案：

（1）學習掌握電容式傳感器基礎知識；

（2）選用教材中的典型電路結構，以單元模塊電路形式組成電容式傳感器整體電路[8]；

（3）給出技術性能指標，借助EDA軟件Multisim 進行每個模塊電路的設計、測試和分析；

（4）用級聯方式將各個模塊電路組成一個較為復雜的綜合性電子系統[9]，再進行最后的技術性能指標測試和分析。

通過比較詳細、全面地向學生展示理論知識向工程應用遷移過程，讓學生拓寬眼界，充分認識、了解理論知識內涵、用途及價值，領悟到電子系統設計以及相關技術支撐，激發學生內生學習動力，喚醒學生自身潛質[10-11]，以達到培養學生工程意識和工程實踐能力目的。

2 電容式傳感器基礎知識

2.1 電容式敏感元件原理及類型

由普通物理學可知，電容器是由兩個電極、極間和介質組成，如圖1所示。如果不計邊緣效應，電容器容量計算公式：

式中：S為電極有效面積，d為兩個極之間的距離，ε為極間介質的介電常數。電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形。

如果將被測的非電物理量，如位移、壓力等作用在電容式敏感元件上，改變公式（1）中的1個參數，且保持其他兩個參數不變，則電容量變化與被測量之間存在著確定的物理量關系。因此，按照決定電容量大小的3個不同參數，電容式敏感元件分為變極距、變面積和變介質3種類型。變極距型適用于壓力、振動等或微米級線位移等的測量，變面積型適用于角位移或較大線位移等的測量，變介質型適用于溫度、濕度、密度、物位等的測量。

2.2 電信號轉換方式

將電容式敏感元件的電容量轉換為電信號，主要包括直接轉換和間接兩種方式，采用電子技術基礎理論都可以實現，如圖2所示。直接轉換方式是將電容量直接轉換為電壓或電流信號輸出，間接轉換方式則是將電容量轉換成頻率信號或周期信號輸出。

圖2 電容量轉換電信號電路

在圖2（a）中C為電容式敏感元件的等效電路，它與運放U和電阻組成微分運算電路。如果激勵信號源i選用正弦波，則輸出電壓o的幅度：

由公式（2）可知，當i的幅度im、頻率和電阻的參數值一定，om則與C成正比，實現了直接的C-U轉換。

在圖2（b）中C為電容式敏感元件的等效電路，它與電阻R1組成了無源積分電路，二極管D1在C放電時導通。運放U1與電阻R2、R3組成了任意電壓比較器；555定時器U2與電阻R4、電容C1和C2組成了單穩態觸發器。整體電路構成閉環，反相器U3作用是形成正反饋，使電路自激振蕩，以產生積分電路的激勵信號。電路中各點的電壓波形如圖3所示。其中：

取2=1，則

由公式（4）可知，當R1的參數值一定，2則與C成正比，實現了間接的-轉換。如果1很小，o的周期≈2。

圖3 電路的各點電壓波形

2.3 電信號輸出標準

通常情況下，被測量轉換成電信號之后都比較微弱，十分不利于觀察、測量。因此，還需要經過放大、濾波、校正等電路進行必要的調理，滿足測量范圍、靈敏度、精確度及輸出等技術指標要求，方可使用。

電容式傳感器輸出包括電壓信號和電流信號2種類型。電壓信號標準：0 V~5 V；電流信號標準：4 mA~ 20 mA。

3 電容式傳感器電路設計

3.1 電路組成及主要技術性能指標

電容式傳感器電路由激勵信號產生電路、C-U轉換電路、幅度檢測電路和標準信號輸出電路組成，如

圖4所示。其主要技術性能指標如下：

（1）測量位移范圍：0 mm ~ 10 mm；

（2）靈敏度：0.5 V/mm；

（4）激勵信號：正弦波，頻率500 Hz，幅度31.9 mV；

（5）零點輸出：0 V；

（6）輸出信號：標準直流電壓，0 V~5 V。

3.2 激勵信號產生電路

該電路包括RC正弦波振蕩電路[12]和幅度衰減電路兩部分。其中：

RC正弦波振蕩電路由運放U1A、電阻R1—R5、電容C1和C2、二極管D1和D2組成。其輸出信號o1的頻率= 1/2π11= 500 Hz、幅度o1m> 4 V。

圖4 電容式傳感器虛擬仿真電路

幅度衰減電路則由運放U1B、電阻R6—R9組成。其作用：一是通過降低o1的幅度，給-轉換電路提供一個比較合適的激勵信號；二是通過R8，還可以調整測量精度。該電路輸出信號o2的幅度o2m= (7+8)o1m/6= 10/314 V = 31.9 mV，且頻率為500 Hz。這里將o2作為激勵信號。

3.3 C-U轉換電路

該電路由運放U1C、電阻R10和R11、電容C3—C5組成。其中，C3和C4為電容式敏感元件等效電容，C3表示產生位移時電容增量，C4表示位移為零時電容；C5主要用于消除電路自激干擾。

當位移在0 mm~10 mm范圍內變化時，3+4= 100 nF–120 nF，電容量靈敏度為 2 nF/mm。由公式（2）可得，該電路輸出信號o3的幅度o3m= 1 V ~ 1.2 V。

3.4 幅度檢測電路

該電路由運放U2A和U2B、電阻R12—R14、電容C6、二極管D3和D4組成。o3＞0 V（正半周）時，o4為負值，二極管D3截止，D4導通，C6開始反向充電。由于D4導通電阻很小，可視為o4= –o312/11=-o3，1/4周期時，C6的電壓C6=o4= –o3m；此后其他時間，D4也截止，C6保持幅度電壓，則該電路輸出信號o5=C6= –o3m= –1 V ~ –1.2 V，已經變成直流電壓。

3.5 標準信號輸出電路

該電路包括基準電壓電路和差動放大電路兩部分。其中：

基準電壓電路由運放U3A、電阻R15—R17組成。該電路輸出信號o6= –16CC/15= –1 V，與位移為零（3= 0 nF）時幅度檢測電路輸出的電壓相等。

差動放大電路則由運放U3B、電阻R18—R21組成。該電路輸出信號o= (o6–o5)–19/18= 25(o6–o5)。

當3+4= 100 nF–120 nF 變化時，電路輸出標準直流電壓 0 V~5 V。

4 仿真結果及分析

采用暫態分析方法對激勵信號產生電路進行仿真，其結果如圖5所示。從圖中可以看出，該電路產生自激振蕩，輸出正弦波，周期1.99 ms（頻率503 Hz），幅度31.8 mV。

圖5 激勵信號產生電路仿真結果

以上仿真結果表明，各項技術性能指標均已經達到了設計要求。

表1 電容式傳感器仿真測量數據

5 結語

引入工程項目中的熱點技術，并與理論課程內容緊密結合，能夠開發出很好的工程實驗項目，真正意義上傳授了理論知識應用及價值，同時還傳授了工程實踐技能，非常適合當前創新創業教育需要。硬件實驗原理樣機也同期完成制作。根據教學需求，還可以將本實驗項目分解成幾個小的實驗項目來做。

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Design of virtual simulation capacitive transducer

WANG Gesi, PAN Dapeng, GUO Qiang, YU Lei, XI Zhihong

(National Electrotechnics and Electronics Experiment Teaching Demonstration Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

From solving the hot technical problems in engineering projects, this paper summarizes, chooses, integrates and optimizes the contents of basic courses of electronic technology, designs a virtual simulation capacitive transducer, which imparts not only the application of theoretical knowledge, but also the engineering practical skills, which is very suitable for current innovation and entrepreneurship education. This transducer includes the excitation signal generation circuit, C-U conversion circuit and amplitude detection circuit. It can also be used for a separate experimental project. Developing new engineering experiment projects will help to cultivate students’ engineering consciousness and engineering practice ability and promote teachers’ teaching level and scientific research ability.

capacitive transducer; excitation signal generating circuit; C-U conversion circuit; virtual reality

G642.0

A

1002-4956(2019)07-0020-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.006

2019-01-16

王革思（1960—），男，黑龍江哈爾濱，本科，教授，研究方向為實驗教學與實驗室管理.E-mail: wanggesi@hrbeu.edu.cn