基于LabVIEW 的電容式傳感器虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計

龐 啟 成妍妍 龍翠翠

（隴南師范高等?？茖W(xué)校 機(jī)電工程學(xué)院，隴南 742500）

在我國高等職業(yè)教育快速發(fā)展過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為教育的一個重要環(huán)節(jié)。高職擴(kuò)招專項(xiàng)計劃實(shí)施后，職業(yè)院校學(xué)生規(guī)模進(jìn)一步增加，生源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生基礎(chǔ)薄弱等問題逐漸凸顯，教學(xué)難度進(jìn)一步增大，學(xué)生接受理論知識和熟練實(shí)驗(yàn)操作過程效果一般。傳感器與檢測技術(shù)作為機(jī)電一體化等專業(yè)的核心課程，具有涵蓋知識面廣、實(shí)驗(yàn)教學(xué)比重大等特點(diǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加快學(xué)生對理論知識的理解和掌握。

LabVIEW 虛擬仿真軟件以圖形化編程[1]、可視化等優(yōu)勢，在測試、控制、監(jiān)測[2-3]以及仿真[4-5]等方面應(yīng)用廣泛。傳感器類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中[6]，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理提供了極大幫助?；贚abVIEW 軟件平臺，設(shè)計電容式傳感器虛擬仿真測位移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可在同一界面完成變面積、變介電常數(shù)和變極距3 種類型的傳感器數(shù)據(jù)檢測等，大大縮短了仿真實(shí)驗(yàn)時間，提升了實(shí)驗(yàn)效率。

1 實(shí)驗(yàn)基本原理

如圖1 所示，由絕緣介質(zhì)隔開的平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為：

式中：ε 為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，其中ε0為真空介電常數(shù)，εr為極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)；S為兩平行板所覆蓋面積；d 為兩平行板之間的距離。S、ε、d 這3 個參數(shù)中任何一個發(fā)生變化，都將引起電容變化。通過轉(zhuǎn)換電路將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，是電容式傳感器的基本工作原理。

電容式傳感器將位移的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化。由于電容數(shù)值很小，需要通過轉(zhuǎn)換電路將電容轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。圖2 為轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器電路，其中C是固定電容，Cx是傳感器電容，U˙i 是交流電壓源，是輸出電壓信號。在開環(huán)放大倍數(shù)和輸入阻抗較大情況下，有：

圖3 中，C1和C2為差動變極距式電容傳感器的電容量，進(jìn)一步可得到差動式電容式傳感器輸出電壓為：

2 虛擬仿真系統(tǒng)

基于LabVIEW 軟件平臺的電容式傳感器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由創(chuàng)建數(shù)據(jù)、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)擬合及繪圖、位移解調(diào)4 部分組成。在前面板可自行選擇模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中加入不超過電容、電壓最大值1%的隨機(jī)誤差，設(shè)定數(shù)據(jù)動態(tài)變化時間為1 s。在“創(chuàng)建數(shù)據(jù)”界面，可同時運(yùn)行不同類型電容式傳感器模塊進(jìn)行位移和電壓數(shù)據(jù)觀測。

圖4 和圖5 分別為數(shù)據(jù)觀測的前面板和程序界面。前面板中，變面積型、變極距型（含差動式）、變介電常數(shù)型傳感器分別在3 個獨(dú)立的板塊上，可單獨(dú)選用其中1 個運(yùn)行，也可3 個同時運(yùn)行。通過模塊上的旋鈕調(diào)整板塊移動位移的大小，觀測電壓表示值變化，儲存獲得的數(shù)據(jù)，儲存格式為DAT 文件。

利用最小二乘法擬合出不同類型電容式傳感器的電壓和位移曲線均為線性關(guān)系，如圖6 所示。其中：變面積和變介電常數(shù)型測位移范圍較大，靈敏度較低；變極距型測位移范圍較小，靈敏度較高。經(jīng)模擬測量，絕對誤差平均值依次是：變面積型0.064，變介電常數(shù)型0.105，變極距型0.006，變極距型（差動式）0.003。各曲線斜率值和截距如表1 所示。

表1 斜率和截距數(shù)據(jù)記錄

3 結(jié)語

基于LabVIEW 軟件的電容式傳感器仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r反饋位移和輸出電壓值變化，可實(shí)現(xiàn)微小位移的測量，完成了不同類型電容式傳感器位移測量實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。在輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，它有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對理論知識和實(shí)驗(yàn)原理的理解，具有一定的應(yīng)用價值。