虚拟仿真电容式传感器设计

王革思，潘大鹏，国 强，于 蕾，席志红

虚拟仿真电容式传感器设计

王革思，潘大鹏，国 强，于 蕾，席志红

（哈尔滨工程大学 国家级电工电子实验教学示范中心，黑龙江 哈尔滨 150001）

从解决工程项目中的热点技术问题出发，梳理、择选、整合、优化电子技术基础课程内容，设计了一种虚拟仿真电容式传感器，不仅传授了理论知识的应用，同时还传授了工程实践技能，非常适合当前创新创业教育。该传感器包含的激励信号产生电路、C-U 转换电路、幅度检测电路，还可以作为单独的实验项目。开发新的工程实验项目，有助于培养学生的工程意识和工程实践能力，促进教师教学水平与科研能力的提升。

电容式传感器；激励信号产生电路；C-U转换电路；虚拟仿真；位移测量

“电子技术基础”是国内高校电子信息类专业的重要支撑课程。该课程工程性、实践性、创新性较强，知识外延宽广、综合交叉。从目前课堂教学情况看，主要重视与理论知识相关的概念、原理、推导、分析和设计学习，却很少让学生真正懂得所学知识的目的、用途及价值，难以激发学生的兴趣和主动性，不利于培养学生独立思考问题和解决复杂工程问题的能力。从学生的需求出发,以当前工程技术中比较热门的传感器技术为引领，对现有的课程内容进行梳理、择选、整合和优化，将教、学、做、研相结合[1-6]，设计完成了虚拟仿真电容式传感器实验项目。

1 背景与思路

人类在研究自然现象和规律以及生产实践活动中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息。在工业控制、宇宙开发、海洋勘探、环境监测等广泛领域，每一个大的工程项目，都需要借助各种类型传感器来获取有重要价值的信息。目前传感器技术已经在发展社会经济、推动社会进步方面发挥着越来越重要的作用。

传感器是将被测物理量，如温度、压力、流量、液位等，按照一定规律转换成电信号的器件。针对当前教学中普遍存在着传感器结构复杂、电信号产生机理难以认知[7]以及实验原理样机制作困难等问题，依据电容式敏感元件结构模型、测量技术等，结合课程教学内容，提出虚拟仿真电容式传感器实验项目设计方案：

（1）学习掌握电容式传感器基础知识；

（2）选用教材中的典型电路结构，以单元模块电路形式组成电容式传感器整体电路[8]；

（3）给出技术性能指标，借助EDA软件Multisim 进行每个模块电路的设计、测试和分析；

（4）用级联方式将各个模块电路组成一个较为复杂的综合性电子系统[9]，再进行最后的技术性能指标测试和分析。

通过比较详细、全面地向学生展示理论知识向工程应用迁移过程，让学生拓宽眼界，充分认识、了解理论知识内涵、用途及价值，领悟到电子系统设计以及相关技术支撑，激发学生内生学习动力，唤醒学生自身潜质[10-11]，以达到培养学生工程意识和工程实践能力目的。

2 电容式传感器基础知识

2.1 电容式敏感元件原理及类型

由普通物理学可知，电容器是由两个电极、极间和介质组成，如图1所示。如果不计边缘效应，电容器容量计算公式：

式中：S为电极有效面积，d为两个极之间的距离，ε为极间介质的介电常数。电极形状有平板形、圆柱形和球平面形。

如果将被测的非电物理量，如位移、压力等作用在电容式敏感元件上，改变公式（1）中的1个参数，且保持其他两个参数不变，则电容量变化与被测量之间存在着确定的物理量关系。因此，按照决定电容量大小的3个不同参数，电容式敏感元件分为变极距、变面积和变介质3种类型。变极距型适用于压力、振动等或微米级线位移等的测量，变面积型适用于角位移或较大线位移等的测量，变介质型适用于温度、湿度、密度、物位等的测量。

2.2 电信号转换方式

将电容式敏感元件的电容量转换为电信号，主要包括直接转换和间接两种方式，采用电子技术基础理论都可以实现，如图2所示。直接转换方式是将电容量直接转换为电压或电流信号输出，间接转换方式则是将电容量转换成频率信号或周期信号输出。

图2 电容量转换电信号电路

在图2（a）中C为电容式敏感元件的等效电路，它与运放U和电阻组成微分运算电路。如果激励信号源i选用正弦波，则输出电压o的幅度：

由公式（2）可知，当i的幅度im、频率和电阻的参数值一定，om则与C成正比，实现了直接的C-U转换。

在图2（b）中C为电容式敏感元件的等效电路，它与电阻R1组成了无源积分电路，二极管D1在C放电时导通。运放U1与电阻R2、R3组成了任意电压比较器；555定时器U2与电阻R4、电容C1和C2组成了单稳态触发器。整体电路构成闭环，反相器U3作用是形成正反馈，使电路自激振荡，以产生积分电路的激励信号。电路中各点的电压波形如图3所示。其中：

取2=1，则

由公式（4）可知，当R1的参数值一定，2则与C成正比，实现了间接的-转换。如果1很小，o的周期≈2。

图3 电路的各点电压波形

2.3 电信号输出标准

通常情况下，被测量转换成电信号之后都比较微弱，十分不利于观察、测量。因此，还需要经过放大、滤波、校正等电路进行必要的调理，满足测量范围、灵敏度、精确度及输出等技术指标要求，方可使用。

电容式传感器输出包括电压信号和电流信号2种类型。电压信号标准：0 V~5 V；电流信号标准：4 mA~ 20 mA。

3 电容式传感器电路设计

3.1 电路组成及主要技术性能指标

电容式传感器电路由激励信号产生电路、C-U转换电路、幅度检测电路和标准信号输出电路组成，如

图4所示。其主要技术性能指标如下：

（1）测量位移范围：0 mm ~ 10 mm；

（2）灵敏度：0.5 V/mm；

（4）激励信号：正弦波，频率500 Hz，幅度31.9 mV；

（5）零点输出：0 V；

（6）输出信号：标准直流电压，0 V~5 V。

3.2 激励信号产生电路

该电路包括RC正弦波振荡电路[12]和幅度衰减电路两部分。其中：

RC正弦波振荡电路由运放U1A、电阻R1—R5、电容C1和C2、二极管D1和D2组成。其输出信号o1的频率= 1/2π11= 500 Hz、幅度o1m> 4 V。

图4 电容式传感器虚拟仿真电路

幅度衰减电路则由运放U1B、电阻R6—R9组成。其作用：一是通过降低o1的幅度，给-转换电路提供一个比较合适的激励信号；二是通过R8，还可以调整测量精度。该电路输出信号o2的幅度o2m= (7+8)o1m/6= 10/314 V = 31.9 mV，且频率为500 Hz。这里将o2作为激励信号。

3.3 C-U转换电路

该电路由运放U1C、电阻R10和R11、电容C3—C5组成。其中，C3和C4为电容式敏感元件等效电容，C3表示产生位移时电容增量，C4表示位移为零时电容；C5主要用于消除电路自激干扰。

当位移在0 mm~10 mm范围内变化时，3+4= 100 nF–120 nF，电容量灵敏度为 2 nF/mm。由公式（2）可得，该电路输出信号o3的幅度o3m= 1 V ~ 1.2 V。

3.4 幅度检测电路

该电路由运放U2A和U2B、电阻R12—R14、电容C6、二极管D3和D4组成。o3＞0 V（正半周）时，o4为负值，二极管D3截止，D4导通，C6开始反向充电。由于D4导通电阻很小，可视为o4= –o312/11=-o3，1/4周期时，C6的电压C6=o4= –o3m；此后其他时间，D4也截止，C6保持幅度电压，则该电路输出信号o5=C6= –o3m= –1 V ~ –1.2 V，已经变成直流电压。

3.5 标准信号输出电路

该电路包括基准电压电路和差动放大电路两部分。其中：

基准电压电路由运放U3A、电阻R15—R17组成。该电路输出信号o6= –16CC/15= –1 V，与位移为零（3= 0 nF）时幅度检测电路输出的电压相等。

差动放大电路则由运放U3B、电阻R18—R21组成。该电路输出信号o= (o6–o5)–19/18= 25(o6–o5)。

当3+4= 100 nF–120 nF 变化时，电路输出标准直流电压 0 V~5 V。

4 仿真结果及分析

采用暂态分析方法对激励信号产生电路进行仿真，其结果如图5所示。从图中可以看出，该电路产生自激振荡，输出正弦波，周期1.99 ms（频率503 Hz），幅度31.8 mV。

图5 激励信号产生电路仿真结果

以上仿真结果表明，各项技术性能指标均已经达到了设计要求。

表1 电容式传感器仿真测量数据

5 结语

引入工程项目中的热点技术，并与理论课程内容紧密结合，能够开发出很好的工程实验项目，真正意义上传授了理论知识应用及价值，同时还传授了工程实践技能，非常适合当前创新创业教育需要。硬件实验原理样机也同期完成制作。根据教学需求，还可以将本实验项目分解成几个小的实验项目来做。

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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，黑龙江哈尔滨，本科，教授，研究方向为实验教学与实验室管理.E-mail: wanggesi@hrbeu.edu.cn