基于LabVIEW 的電容式傳感器虛擬仿真 實驗系統設計

龐 啟 成妍妍 龍翠翠

（隴南師范高等專科學校 機電工程學院，隴南 742500）

在我國高等職業教育快速發展過程中，實驗教學已成為教育的一個重要環節。高職擴招專項計劃實施后，職業院校學生規模進一步增加，生源結構呈現多樣化。在實際教學中，學生基礎薄弱等問題逐漸凸顯，教學難度進一步增大，學生接受理論知識和熟練實驗操作過程效果一般。傳感器與檢測技術作為機電一體化等專業的核心課程，具有涵蓋知識面廣、實驗教學比重大等特點。虛擬仿真實驗系統的開發有助于提高學生的學習興趣，加快學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]、可視化等優勢，在測試、控制、監測[2-3]以及仿真[4-5]等方面應用廣泛。傳感器類課程實驗教學過程中[6]，虛擬仿真實驗系統對學生理解實驗原理提供了極大幫助。基于LabVIEW 軟件平臺，設計電容式傳感器虛擬仿真測位移實驗系統，可在同一界面完成變面積、變介電常數和變極距3 種類型的傳感器數據檢測等，大大縮短了仿真實驗時間，提升了實驗效率。

1 實驗基本原理

如圖1 所示，由絕緣介質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，其電容量為：

式中：ε 為電容極板間介質的介電常數，其中ε0為真空介電常數，εr為極板間介質相對介電常數；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 個參數中任何一個發生變化，都將引起電容變化。通過轉換電路將電容變化轉換為電壓信號輸出，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換為電容量變化。由于電容數值很小，需要通過轉換電路將電容轉換成電壓信號輸出。圖2 為轉換運算放大器電路，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。在開環放大倍數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

基于LabVIEW 軟件平臺的電容式傳感器虛擬仿真實驗系統主要由創建數據、創建數據庫、數據擬合及繪圖、位移解調4 部分組成。在前面板可自行選擇模塊進行實驗。實驗中加入不超過電容、電壓最大值1%的隨機誤差，設定數據動態變化時間為1 s。在“創建數據”界面，可同時運行不同類型電容式傳感器模塊進行位移和電壓數據觀測。

圖4 和圖5 分別為數據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）、變介電常數型傳感器分別在3 個獨立的板塊上，可單獨選用其中1 個運行，也可3 個同時運行。通過模塊上的旋鈕調整板塊移動位移的大小，觀測電壓表示值變化，儲存獲得的數據，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系，如圖6 所示。其中：變面積和變介電常數型測位移范圍較大，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 斜率和截距數據記錄

3 結語

基于LabVIEW 軟件的電容式傳感器仿真實驗系統，能夠實時反饋位移和輸出電壓值變化，可實現微小位移的測量，完成了不同類型電容式傳感器位移測量實驗，達到了預期的實驗效果。在輔助實驗教學中，它有助于提升學生的學習興趣，加深學生對理論知識和實驗原理的理解，具有一定的應用價值。