王革思，潘大鵬，國 強，于 蕾，席志紅

虛擬仿真電容式傳感器設(shè)計

王革思，潘大鵬，國 強，于 蕾，席志紅

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

從解決工程項目中的熱點技術(shù)問題出發(fā)，梳理、擇選、整合、優(yōu)化電子技術(shù)基礎(chǔ)課程內(nèi)容，設(shè)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(yīng)用，同時還傳授了工程實踐技能，非常適合當(dāng)前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。該傳感器包含的激勵信號產(chǎn)生電路、C-U 轉(zhuǎn)換電路、幅度檢測電路，還可以作為單獨的實驗項目。開發(fā)新的工程實驗項目，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和工程實踐能力，促進教師教學(xué)水平與科研能力的提升。

電容式傳感器；激勵信號產(chǎn)生電路；C-U轉(zhuǎn)換電路；虛擬仿真；位移測量

“電子技術(shù)基礎(chǔ)”是國內(nèi)高校電子信息類專業(yè)的重要支撐課程。該課程工程性、實踐性、創(chuàng)新性較強，知識外延寬廣、綜合交叉。從目前課堂教學(xué)情況看，主要重視與理論知識相關(guān)的概念、原理、推導(dǎo)、分析和設(shè)計學(xué)習(xí)，卻很少讓學(xué)生真正懂得所學(xué)知識的目的、用途及價值，難以激發(fā)學(xué)生的興趣和主動性，不利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考問題和解決復(fù)雜工程問題的能力。從學(xué)生的需求出發(fā),以當(dāng)前工程技術(shù)中比較熱門的傳感器技術(shù)為引領(lǐng)，對現(xiàn)有的課程內(nèi)容進行梳理、擇選、整合和優(yōu)化，將教、學(xué)、做、研相結(jié)合[1-6]，設(shè)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(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)實踐活動中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息。在工業(yè)控制、宇宙開發(fā)、海洋勘探、環(huán)境監(jiān)測等廣泛領(lǐng)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(shù)已經(jīng)在發(fā)展社會經(jīng)濟、推動社會進步方面發(fā)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(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號的器件。針對當(dāng)前教學(xué)中普遍存在著傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電信號產(chǎn)生機理難以認(rèn)知[7]以及實驗原理樣機制作困難等問題，依據(jù)電容式敏感元件結(jié)構(gòu)模型、測量技術(shù)等，結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容，提出虛擬仿真電容式傳感器實驗項目設(shè)計方案：

（1）學(xué)習(xí)掌握電容式傳感器基礎(chǔ)知識；

（2）選用教材中的典型電路結(jié)構(gòu)，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(shù)性能指標(biāo)，借助EDA軟件Multisim 進行每個模塊電路的設(shè)計、測試和分析；

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

通過比較詳細(xì)、全面地向?qū)W生展示理論知識向工程應(yīng)用遷移過程，讓學(xué)生拓寬眼界，充分認(rèn)識、了解理論知識內(nèi)涵、用途及價值，領(lǐng)悟到電子系統(tǒng)設(shè)計以及相關(guān)技術(shù)支撐，激發(fā)學(xué)生內(nèi)生學(xué)習(xí)動力，喚醒學(xué)生自身潛質(zhì)[10-11]，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程意識和工程實踐能力目的。

2 電容式傳感器基礎(chǔ)知識

2.1 電容式敏感元件原理及類型

由普通物理學(xué)可知，電容器是由兩個電極、極間和介質(zhì)組成，如圖1所示。如果不計邊緣效應(yīng)，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(zhì)的介電常數(shù)。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(shù)，且保持其他兩個參數(shù)不變，則電容量變化與被測量之間存在著確定的物理量關(guān)系。因此，按照決定電容量大小的3個不同參數(shù)，電容式敏感元件分為變極距、變面積和變介質(zhì)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(zhì)型適用于溫度、濕度、密度、物位等的測量。

2.2 電信號轉(zhuǎn)換方式

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

圖2 電容量轉(zhuǎn)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(dāng)i的幅度im、頻率和電阻的參數(shù)值一定，om則與C成正比，實現(xiàn)了直接的C-U轉(zhuǎn)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(dǎo)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器。整體電路構(gòu)成閉環(huán)，反相器U3作用是形成正反饋，使電路自激振蕩，以產(chǎn)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(dāng)R1的參數(shù)值一定，2則與C成正比，實現(xiàn)了間接的-轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)

通常情況下，被測量轉(zhuǎn)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(jīng)過放大、濾波、校正等電路進行必要的調(diào)理，滿足測量范圍、靈敏度、精確度及輸出等技術(shù)指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)：0 V~5 V；電流信號標(biāo)準(zhǔn)：4 mA~ 20 mA。

3 電容式傳感器電路設(shè)計

3.1 電路組成及主要技術(shù)性能指標(biāo)

電容式傳感器電路由激勵信號產(chǎn)生電路、C-U轉(zhuǎn)換電路、幅度檢測電路和標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路組成，如

圖4所示。其主要技術(shù)性能指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)直流電壓，0 V~5 V。

3.2 激勵信號產(chǎn)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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)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(chǎn)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(dāng)位移在0 mm~10 mm范圍內(nèi)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(fù)值，二極管D3截止，D4導(dǎo)通，C6開始反向充電。由于D4導(dǎo)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(jīng)變成直流電壓。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路

該電路包括基準(zhǔn)電壓電路和差動放大電路兩部分。其中：

基準(zhǔn)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(dāng)3+4= 100 nF–120 nF 變化時，電路輸出標(biāo)準(zhǔn)直流電壓 0 V~5 V。

4 仿真結(jié)果及分析

采用暫態(tài)分析方法對激勵信號產(chǎn)生電路進行仿真，其結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，該電路產(chǎn)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(chǎn)生電路仿真結(jié)果

以上仿真結(jié)果表明，各項技術(shù)性能指標(biāo)均已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計要求。

表1 電容式傳感器仿真測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

引入工程項目中的熱點技術(shù)，并與理論課程內(nèi)容緊密結(jié)合，能夠開發(fā)出很好的工程實驗項目，真正意義上傳授了理論知識應(yīng)用及價值，同時還傳授了工程實踐技能，非常適合當(dāng)前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育需要。硬件實驗原理樣機也同期完成制作。根據(jù)教學(xué)需求，還可以將本實驗項目分解成幾個小的實驗項目來做。

[1] 付揚.以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)深化電類基礎(chǔ)課程實踐教學(xué)改革[J].實驗室研究與探索，2015, 34(9): 184–187.

[2] 蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2016(11): 27–30.

[3] 葉朝輝，華成英，閻捷，等.模擬電子技術(shù)實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].實驗技術(shù)與管理，2017, 34(1): 29–32.

[4] 李志義.成果導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計[J].中國大學(xué)教學(xué)，2015(3): 32–39.

[5] 王革思，高敬鵬，康維新，等.適應(yīng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的電子電路特色實踐教學(xué)研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理2017, 34(11): 164–166.

[6] 戴圣偉，王炎平，張居武.導(dǎo)師制與大學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的協(xié)同創(chuàng)新[J].實驗室研究與探索，2016, 35(8): 174–176.

[7] 代如成，張憲峰，邱正明，等.傳感器系列實驗的設(shè)計[J].物理實驗，2017, 37(1): 23–28.

[8] 張曉東，印月，周群.電子技術(shù)實驗箱設(shè)計思路新探索[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2016, 14(2): 69–71.

[9] 李洋，閆洪瑩，李莉，等.電基礎(chǔ)的實踐教學(xué)體系與教材協(xié)同性研究[J].實驗室研究與探索，2015, 34(10): 216–218.

[10] 謝和平.扎實推進課堂教學(xué)改革[J].中國大學(xué)教學(xué)，2016(1): 4–7.

[11] 馮艷，李玉龍，張華.以項目為載體構(gòu)建傳感器課程綜合性實驗的研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2014, 31(1): 187– 190.

[12] 劉恒，張易晨，孫晉，等.文氏橋振蕩電路行為仿真及實驗分析[J].實驗技術(shù)與管理，2018, 35(6): 1022–125.

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(xué)與實驗室管理.E-mail: wanggesi@hrbeu.edu.cn