基于創新創業能力培養的虛擬仿真電容傳感器設計*

（吉林工業職業技術學院，吉林 吉林 132013）

0 引言

黨的十八大以來，我國不斷深化高等學校創新創業教育改革，修訂人才培養標準、改革教學育人機制、加強師資隊伍建設、強化創業實踐訓練、構建創業幫扶體系，把創新創業教育融入人才培養，為建設創新型國家提供源源不斷的人才智力支撐。各大高校逐漸將創新創業教育引入人才培養中，將創新創業意識深入貫徹到日常教學和第二課堂活動中。

在深化創新創業教育的背景下，從教育部到地方教育局和各種行業協會等多種機構，相繼組織創新創業競賽，鼓勵在校生和近年已畢業學生開拓思路，加入到創新創業團隊組建和項目實踐的事業中，對推行創新創業教育起到了強有力的推動作用。

對于工科專業來講，其工程性、實踐性、創新性要求較高，對于工程實踐能力要求知識外延寬廣、綜合交叉。培養高職學生創新創業的工程能力，不僅僅是對理論知識相關的概念、原理、推導、分析和設計學習，同時也要讓學生真正懂得所學知識的目的、用途及價值，激發學生的興趣和主動性，積極培養學生獨立解決工程實際問題的能力。從當今的工程實際出發，以傳感器技術作為實踐的突破口，對結合工程實際及現有的課程實踐內容進行梳理、擇選、整合和優化，將教、學、做、研有機結合，設計完成了虛擬仿真電容式傳感器實踐項目。

1 設計思路

傳感器在人類研究工業控制中有著不可替代的作用。每一個實踐工程項目中，都需要借助各種類型傳感器來獲取有重要價值的信息。傳感器是工業檢測中常用的檢測元件，主要是將工業檢測中溫度、壓力、流量、液位等，按照一定規律轉換成電信號的器件[1]。由于在課堂教學中，傳統的理論教學晦澀難懂，并且傳感器組成復雜、工作原理生成方式較難認知等原因，筆者結合電容式傳感器的模型機理、檢測方式等，通過自主學習、自主創新等方式提出傳感器項目設計方案：

1）自主學習電容式傳感器工作原理及結構等。

2）自主設計傳感器整體電路。

3）利用所學知識計算技術性能指標，借助EDA 軟件Multisim 進行電路的設計、測試和分析。

4）設計結束后進行技術性能指標測試和分析。

通過自主學習、自主創新方式傳感器項目設計，系統地向學生展示實踐工程的工作步驟，使學生充分認知電容傳感器的工作原理、系統結構等理論知識，達到人人實踐動手，激發學生的學習熱情，最終達到培養學生創新的工程意識及實踐能力的目的。

2 電容式傳感器

2.1 電容式敏感元件組成[1]

電容器是由兩個電極、兩極間距和間距介質組成，如圖1 所示。電容量公式為

式中：S 是兩個電極相對有效截面積，ε 為兩極間介電常數，d 為兩個極板之間的距離。

圖1 電容式敏感元件結構

按照公式（1）中改變電容量的大小取決于3 個不同的參數，分別是極板的間距、極板的截面積、間距中的介質3種類型[2]。如果將被測量作用在電容式敏感元件上，改變公式（1）中的1 個參數，其余兩個參數保持不變，則電容量的大小變化與被測量有相互對應的物理關系。通過改變公式中不同的參數，可以測量不同的物理量。改變電容器極板的間距適合測量位移、壓力等物理量，改變極板的截面積適合測量角位移、直線距離較長的線位移，改變極板間距中的介質適合測量不同極板間介質，如溫度、液位、濕度等。

2.2 信號轉換電路

電容量的變化要轉換為電信號的變化，這樣在檢測電路中才能進行檢測。電容量變化轉換電信號的變化分為直接轉換和間接轉換兩種方式，如圖2 所示。直接轉換方式是將電容的變化量用電路（他激）的方式直接轉換為電壓或電力信號，間接的轉換方式為將電容的變化量用電路（自激）轉換為頻率或周期信號[3]。

圖2 電容量轉換電路

圖2（a）是電容敏感元件的等效電路，CX運放電壓U和電阻R 一起組成微分運放電路。直接轉化電路中的他激信號源為ui正弦函數，輸出電壓uo的幅度為：

由公式（2）推導出，當外部激勵電源ui幅值Uim、電路中頻率和電阻的數值保持不變，通過公式可以推到出UOM與電容敏感電路中的CX成正比，直接可以實現電容量和電壓量的轉換。

圖2（b）是電容敏感元件的等效電路，CX與電阻R1共同形成積分電路，在電路中不加電源，二極管D1的作用是電容器敏感元件CX放電時導通[4]。電壓比較器主要由電源U1和電阻R1、R2組成；間接轉換電路中555 定時器中的電壓U2、并聯的電容C1、C2和電阻R4組成了單穩態觸發器。電路中整體結構閉環，正反饋作用主要利用U3的反相器。主要作用是在電路中產生震蕩，從而使電路能夠進行自激信號，電路中電壓波形如圖3 所示。

圖3 電路的各點電壓波形

當R1=R2時

由以上公式（4）可知，當電阻參數值一定時，時間周期T2與電容器電路CX成比例，實現了電容C 與周期T 的轉換。

3 電容傳感器電路設計

電容傳感器的電路設計主要由激勵信號電路設計、電容-電壓轉換電路、電壓幅度檢測電路組成[5]，如圖4 所示。

圖4 電容傳感器虛擬仿真電路

3.1 激勵信號電路設計

激勵信號電路分為兩部分，幅度衰減電路、RC 正弦震蕩電路，其中幅度衰減電路主要由電阻R6-R9、電壓運放U1B組成。其主要的作用是電容-電壓電路中，在信號進行轉換時提供一個激勵信號，降低電壓幅度；同時通過串聯的電阻，對輸出信號的精度進行調整。RC 正弦震蕩電路主要由電容C1、C2，二極管D1、D2，電阻R1-R5和電壓運放組成，其輸出信號頻率為500Hz。

3.2 電容-電壓轉換電路

電路組成由電阻R11、R10，電容C3-C5和電壓運放等組成。其中電容阻的主要作用是等效作用、極板有位移時產生電容增加量，同時消除電路中激勵電路干擾。在發生位移時，電容量變化范圍為80nF～100nF。

3.3 電壓幅度檢測電路

電路組成由運放2 個電壓、電阻R12-R14、電容極其二極管。工作過程為當電壓Uo4 小于零時，二極管利用其反向截止特性進行工作，電容C6進行反向充電。同時利用電阻電容共同作用，使電壓運放變為直流電壓[6]。

4 仿真結果

利用EDA 軟件進行仿真結果分析，利用外部激勵對電路進行仿真，運行結果如圖5 所示。分析結果為電路產生的自激振蕩，能夠滿足電容傳感器在檢測中的技術要求，達到前期設計目標。

圖5 電容傳感器虛擬電路仿真結果

5 結論

在工程實踐中利用工科專業中常用的電容傳感器，與虛擬仿真相結合培養學生的工程實踐能力，不僅使學生在實踐中獲得理論知識的應用方法，同時也提高了學生的工程實踐能力，對于現有的學生創新創業具有較大的借鑒作用。