（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，修訂人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)、改革教學(xué)育人機(jī)制、加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)、強(qiáng)化創(chuàng)業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練、構(gòu)建創(chuàng)業(yè)幫扶體系，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入人才培養(yǎng)，為建設(shè)創(chuàng)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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育引入人才培養(yǎng)中，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識深入貫徹到日常教學(xué)和第二課堂活動(dòng)中。

在深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的背景下，從教育部到地方教育局和各種行業(yè)協(xié)會(huì)等多種機(jī)構(gòu)，相繼組織創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽，鼓勵(lì)在校生和近年已畢業(yè)學(xué)生開拓思路，加入到創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)組建和項(xiàng)目實(shí)踐的事業(yè)中，對推行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育起到了強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。

對于工科專業(yè)來講，其工程性、實(shí)踐性、創(chuàng)新性要求較高，對于工程實(shí)踐能力要求知識外延寬廣、綜合交叉。培養(yǎng)高職學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的工程能力，不僅僅是對理論知識相關(guān)的概念、原理、推導(dǎo)、分析和設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，同時(shí)也要讓學(xué)生真正懂得所學(xué)知識的目的、用途及價(jià)值，激發(fā)學(xué)生的興趣和主動(dòng)性，積極培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決工程實(shí)際問題的能力。從當(dāng)今的工程實(shí)際出發(fā)，以傳感器技術(shù)作為實(shí)踐的突破口，對結(jié)合工程實(shí)際及現(xiàn)有的課程實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行梳理、擇選、整合和優(yōu)化，將教、學(xué)、做、研有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)完成了虛擬仿真電容式傳感器實(shí)踐項(xiàng)目。

1 設(shè)計(jì)思路

傳感器在人類研究工業(yè)控制中有著不可替代的作用。每一個(gè)實(shí)踐工程項(xiàng)目中，都需要借助各種類型傳感器來獲取有重要價(jià)值的信息。傳感器是工業(yè)檢測中常用的檢測元件，主要是將工業(yè)檢測中溫度、壓力、流量、液位等，按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號的器件[1]。由于在課堂教學(xué)中，傳統(tǒng)的理論教學(xué)晦澀難懂，并且傳感器組成復(fù)雜、工作原理生成方式較難認(rèn)知等原因，筆者結(jié)合電容式傳感器的模型機(jī)理、檢測方式等，通過自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新等方式提出傳感器項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案：

1）自主學(xué)習(xí)電容式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)等。

2）自主設(shè)計(jì)傳感器整體電路。

3）利用所學(xué)知識計(jì)算技術(shù)性能指標(biāo)，借助EDA 軟件Multisim 進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)、測試和分析。

4）設(shè)計(jì)結(jié)束后進(jìn)行技術(shù)性能指標(biāo)測試和分析。

通過自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新方式傳感器項(xiàng)目設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地向?qū)W生展示實(shí)踐工程的工作步驟，使學(xué)生充分認(rèn)知電容傳感器的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等理論知識，達(dá)到人人實(shí)踐動(dòng)手，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的工程意識及實(shí)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(gè)電極、兩極間距和間距介質(zhì)組成，如圖1 所示。電容量公式為

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

圖1 電容式敏感元件結(jié)構(gòu)

按照公式（1）中改變電容量的大小取決于3 個(gè)不同的參數(shù)，分別是極板的間距、極板的截面積、間距中的介質(zhì)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(gè)參數(shù)，其余兩個(gè)參數(shù)保持不變，則電容量的大小變化與被測量有相互對應(yīng)的物理關(guān)系。通過改變公式中不同的參數(shù)，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(zhì)適合測量不同極板間介質(zhì)，如溫度、液位、濕度等。

2.2 信號轉(zhuǎn)換電路

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

圖2 電容量轉(zhuǎn)換電路

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

由公式（2）推導(dǎo)出，當(dāng)外部激勵(lì)電源ui幅值Uim、電路中頻率和電阻的數(shù)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(shí)現(xiàn)電容量和電壓量的轉(zhuǎn)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(shí)導(dǎo)通[4]。電壓比較器主要由電源U1和電阻R1、R2組成；間接轉(zhuǎn)換電路中555 定時(shí)器中的電壓U2、并聯(lián)的電容C1、C2和電阻R4組成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。電路中整體結(jié)構(gòu)閉環(huán)，正反饋?zhàn)饔弥饕肬3的反相器。主要作用是在電路中產(chǎn)生震蕩，從而使電路能夠進(jìn)行自激信號，電路中電壓波形如圖3 所示。

圖3 電路的各點(diǎn)電壓波形

當(dāng)R1=R2時(shí)

由以上公式（4）可知，當(dāng)電阻參數(shù)值一定時(shí)，時(shí)間周期T2與電容器電路CX成比例，實(shí)現(xiàn)了電容C 與周期T 的轉(zhuǎn)換。

3 電容傳感器電路設(shè)計(jì)

電容傳感器的電路設(shè)計(jì)主要由激勵(lì)信號電路設(shè)計(jì)、電容-電壓轉(zhuǎn)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(lì)信號電路設(shè)計(jì)

激勵(lì)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(yùn)放U1B組成。其主要的作用是電容-電壓電路中，在信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)提供一個(gè)激勵(lì)信號，降低電壓幅度；同時(shí)通過串聯(lián)的電阻，對輸出信號的精度進(jìn)行調(diào)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(yùn)放組成，其輸出信號頻率為500Hz。

3.2 電容-電壓轉(zhuǎn)換電路

電路組成由電阻R11、R10，電容C3-C5和電壓運(yùn)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(shí)產(chǎn)生電容增加量，同時(shí)消除電路中激勵(lì)電路干擾。在發(fā)生位移時(shí)，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(yùn)放2 個(gè)電壓、電阻R12-R14、電容極其二極管。工作過程為當(dāng)電壓Uo4 小于零時(shí)，二極管利用其反向截止特性進(jìn)行工作，電容C6進(jìn)行反向充電。同時(shí)利用電阻電容共同作用，使電壓運(yùn)放變?yōu)橹绷麟妷篬6]。

4 仿真結(jié)果

利用EDA 軟件進(jìn)行仿真結(jié)果分析，利用外部激勵(lì)對電路進(jìn)行仿真，運(yùn)行結(jié)果如圖5 所示。分析結(jié)果為電路產(chǎn)生的自激振蕩，能夠滿足電容傳感器在檢測中的技術(shù)要求，達(dá)到前期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 電容傳感器虛擬電路仿真結(jié)果

5 結(jié)論

在工程實(shí)踐中利用工科專業(yè)中常用的電容傳感器，與虛擬仿真相結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，不僅使學(xué)生在實(shí)踐中獲得理論知識的應(yīng)用方法，同時(shí)也提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，對于現(xiàn)有的學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)具有較大的借鑒作用。