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1、电容传感器测量纸张厚度37987摘要本次课程设计主要讲解电容式传感器的使用中的一部 分，传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。传感器 是将能够感受到的及规定的被测量按照一定的规律转换成 可用输由信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件 组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测 量（输入量）的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元 件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和测量的电信 号的部分。电容式传感器不但广泛应用于位移、振动、角 度、加速度等机械量的精密测量而且还逐步地扩大应用于 压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。根据 C=S可以把电容传感器分为极距变化型电容传感器、

2、面O积变化型电容传感器、介质变化型电容传感器。根据实际 不同的需求，可以利用不同的电路来实现所需要的功能。电容式传感器的特点：（1）小功率、高阻抗。电容传 感器的电容量很小，一般为几十到几百微微法，因此具有 高阻抗输由；（2）小的静电引力和良好的动态特性。电容 传感器极板间的静电引力很小，工作时需要的作用能量极 小和它有很小的可动质量，因而具有较高的固有频率和良 好的动态响应特性；（3）本身发热影响小（4）可进行非接 触测量。布料厚度测量是基于变介电常数电容传感器的一种精 密测量，它可以实现简单的厚度测量，根据电容电路的特 性分析可以知道所测布料的厚度。关键词：厚度测量装置，电容传感器，运算放

3、大电路,仿真第一章 对布料厚度测量装置所做的调研 31.1厚度测量装置在工业环境下的意义 31.2厚度测量装置的研究现状 31.3简 述 设 计 的 整 体 思路 4第二章 电容测厚装置的介绍 62.1详 细 介 绍 电 容 测 厚 装置 62.2设 计 匹 配 电路 8第 三 章 仿 真 设 计 及 分析 93.1仿 真 电 路 的 建3.2仿 真 结 果 的 分析 13第四章 对课程设计进行试验 154.1实 验 过程 154.2分析仿真与试验结果的差异 15第 五 章 设 计 体会 16第一章对布料厚度测量装置所做的调研1.1厚度测量装置在工业环境下的意义在现代高科技社会中，发展一些厚度

4、测量装置具有非常 重大的意义，厚度测量装置的使用将会大大的减少人力的 投入，更加方便快捷的得到高精度，高质量的产品，此次 我们研究得课题是布料厚度的测量，我们很容易联想到我 们身边的各种丝质，棉质等布匹，但是如何在生产时得到 等厚度的布料呢。这里就会用到厚度测量装置，运用电容 式传感器对布料厚度进行测量，将会非常快捷，而且非常 准确，后面我们将介绍一下电容式传感器测量厚度的原理， 将它运用于工业中我们能够及时发现问题以及能够及时进 行对设备的修正，总之，厚度测量装置是发展高新技术， 节省人力物力不可或缺的发明。1.2厚度测量装置的研究现状因为我们所介绍的主要是布料厚度的测量，所以我们 主要讲解

5、一下非金属厚度测量的应用， 经过查阅资料知道,现如今各种传感器的品种众多， 所以测量方式也不尽相同。 目前，非金属厚度的检测大多数是以位移检测为基础的无 接触测量，测量方法很多，视对象不同，常采用超声，射 线，微波，电磁涡流等不同方法进行测量。超声反射法从 测量精度来说可满足生产中的要求，但需要耦合剂，被测 厚度需要大于 2mm射线法需要放射源，存在需加防护措施，成本高等问题，推广使用有一定的难度。涡流测厚可 在油污、尘埃、湿度、高温恶劣的工业环境下长期工作， 但一般用于金属厚度检测，这些现状对当前非金属测厚技 术提由了挑战。我们考虑到利用电容式传感器检测非金属 的厚度，因为其设备简单、经济、

6、测量精度可达 2.5mm,所以方法具有可行性。1.3进行自己设计的整体思路电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件， 通过电容传感元件，将被测物理量的变化转换为物理量的 变化。因此电容式传感器的基本工作原理可以用图 1-1所示的平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，平板电容器 的电容为电极板平板电容器图1-1平板电容器简图(1.3-1 )式中：S-极板面积； 极板间距离;讥真空介电常数， %=8.85 Ml0T2Fm-1 ;r 相对介电常数；电容极板间介质的介电常数。当极板面积S、极板间间距6保持不变，而插入相对介 电常数为的介质，此时构成的电容传感器为变介电常数 电容传感器，保持介电常数不

7、变而改变介质的厚度。如下图所示：下极板图1-2装置测厚简图 ；oSC = T a - d ；r(1.3-2 )式中:S 测量电容的极板面积；a测量电容的极板间距离；d 插入电容的测量棉布的厚度；% 真空介电常数， %=8.85 M10-12Fm-1；r 棉布的相对介电常数;在实验过程中，我们将得到电压与厚度的关系，然后 我们最后会用图表的形式将这种关系表现由来，当测量布 料厚度时，只需要测量由电压值然后与图表进行比较就会 得到相应的厚度值。第二章电容测厚装置的介绍2.1详细介绍电容测厚装置（1）相关器件介绍所需元件清单：1）信号发生器（1V交流电源，频率100HZ）2）仪用放大器OPAMPS3

8、） 1.5PF电容一个4）自制0.9PF电容一个5）电压表一个0-10V6）开关一个7 ）布料：棉布（含化纤）表（2.1-1 ）各种布料介电常数测试数据表样品烘干10 C76%21 C78%20.5亶端晾干布料凰面棉布（含化纤）1. 892.512. 753. 07出泌0. 472信号发生器：信号发生器是一种能提供各种频率、波 形和输由电平电信号，常用作测试的信号源或激励源的设备。利用信号发生器可以后的测量电路所需要的 100HZ、1V的电压。运算放大器：可以对电信号进行运算，一般具有高增 益、高输入阻抗和低输由阻抗的放大器。利用放大器可以 对电信号进行放大（2）自制电容参数：极板面积9cm2

9、,极板间距近似 a=8.85mm,网上查询资料得棉布的相对介电常数 鸳=2.75 ,棉布厚度d=02mm自制电容如下图所示。图2-1自制电容传感器灵敏度：传感器的灵敏度是指传感器输由的变化量与引 起该变化量的输入的变化量之比即为其静态 灵敏度。灵敏度表达式:K _ jyK LX(2.1-1 )对于线性传感器，其灵敏度为常数，也就是传感器特 性曲线的斜率。对于非线性传感器，灵敏度是变量，其表 达式为 ：Ktdy dx(2.1-2 )一般要求传感器的灵敏度较高并在满量程内是常数为 佳，这就要求传感器的输由输入特性为直线(线性) 自制电容的相对变化量：C d 1二 N C d 1-N(3 dd d

10、八，d、八，d、 r二 N1 N (N)(N) d d d d(2.1-3 )式中：N= 1-1 为灵敏度因子和非显性因子。1 十 &(a-d)，d2.2设计匹配电路实际试验中运算放大器用 OP07来接，并且在 OP07上 面接一个很大的电阻，但是试验中我们发现由于电阻值的 改变会稍微影响一点输由电压值的变化，所以我们这里接 的是实际中并没有的 OPAMP!算放大器。我们设计的匹配 电路如下图：图2-3匹配电路原理图 根据放大器原理可以得由E C0 Cx(2.2-1 )(2.2-2 )所以即U = -C0- E = -C0E a ( -1)dCx ；S ,(2.2-3 )即输由电压与布料的厚度

11、成线性比例关系第三章仿真设计及分析3.1仿真电路的建立因为输入电压为交流电源，输由电压为交流电压的有 效值，则根据以上公式带入测量参数得(1)当电容极板间没有放入棉布时，可以得到电容Cx0_ _ 12 _ 48.85 10 9 1038.85 10= 0.9PF(3.1-1 )此时电压表输由电压为C 1 5U 0 = * E =15 1V = 1.666VCx0 0.9(3.1-2 )如图XMMl图3-1无棉布放入时输由电压仿真结果(2)当假设极板间布料厚度为0.05mm时，此时的电容为Cx1；S/ 1 .、.a +( 1)Md；r_ _ 12 48.85 10 9 108.85 +(2.75

12、-1)0.05 108.85 9 103 F8.818= 0.9033PF(3-3)输出电压为:C 1.50- E = 1V =1.661VCx1 0.9033(3-4)万用表1.66 V如图区B回叵1 I J设置二图3-2布料厚度0.05mm时仿真电路(3)当假设极板间布料厚度为0.10mm时，此时的电容为Cxi一F-3,1 、a + (- -1)2；r42 -48.85 10 9 10 ，1 、一一 一8.85 +(1)父0.10父102.75=0.9065PF(3-5)输出电压为CoU1 =0 ECxi(3-6)1 51V =1.654V0.9065如图:S1A VI :键f : x 1

13、 Vrms图3-3布料厚度为0.1mm时仿真电路(4)当假设极板间布料厚度为 0.15mm时，仿真结果如下 - F1 TFt P c T3E3图3-4布料厚度为0.15mm时仿真电路(5)当假设极板间布料厚度为 0.20mm时，仿真结果如下图U1F. Pf o铠=：AZ T VrmsHz0PAMP 3T VIRTUALXMM1图3-5布料厚度为0.2mm时仿真电路(6)当假设极板间布料厚度为 0.25mm时，仿真结果如下图图3-6布料厚度为0.25mm时仿真电路(7)当假设极板间布料厚度为0.30mm时，仿真结果如下图3-7布料厚度为0.3mm时仿真电路以上就是我们截取的一部分数据，我们会在第

14、( 8)步详细给由布料厚度与电压关系表(8)综合如上，我们组将 02.0mm的布料以0.05mm每组为单位分成40组，如下我们制成一个表格， 将布料厚度与 电压关系表示出来。表（3-1 ）布料厚度与电压关系布料B度（mm10, 050.1）5|20. 250.30. 350.40350.5电容值（pF）0. 90330.90650. 90980. 91310. 91650. 91980. 2320. 92670.93010. 9336输出电压1.&61,6541.6481,6婴1.5361.631.6241,&131.6121.606布词厚度（mm）0. 550.60.650.70.750.8

15、0.850.90.951出容值（dF）0. 93710.94060.9441CL 94770. 95130.95490, 95860. 96230.9650. 9697输出电压（V）1.61.594L5S81. 5821.576571.5641.5581.5521.546布料厚度（mm）1.051.11. 151. 21.251.31.351.41.451.5电容值（pF）0. 97350.97730+ 58110, 9850. 98890,9928U. 99681. 0007LQQ招1. 0088输出由压1.541.534L5281.5221.5161.511. 504L4981.4921.

16、 4的布料厚度（刖）1.551.6L651,71.75L 81邓1.91.952电容值3F）1. 01291.0171. 02121. 02531.02961. 03381. 03811. 04241.Q4681. 0512输出由压（V）1,43L4741.468L4621.456L451.4441,438S32L 4263.2仿真结果的分析根据上面的表（3-1 ）,我们用Matlab绘制了厚度d与 电压u的关系图线如下：图3-8厚度d与电压u的仿真图由表3-1及图3-8可知布料厚度d与输由电压u呈线性关 系由公式（1.3-2 ）和（2.2-3 ）得：（；r -1） C0E ；r-1(3.2-

17、1 )即： d=13.907-8.3443U(3.2-2 )由公式(3.2-2)知厚度d与输由电压u的理论值也为线性关 系。根据上述线性关系，我们用模数转换元件，译码器， 以及数码管将厚度 d用数字显示由来，其中电路图如下:图3-9仿真电路的结果根据厚度d和输由电压u的关系，我们进行了模数转 化，将厚度值通过数码管显示由来。如图 3-9所示，每次 改变电容值C2时，数码管将显示其对应的厚度值。第四章对课程设计进行试验4.1实验过程由于该实验在实验室比较难实验，缺少一些必备的元器件，所以我们没有进行实验，但是我们所用的 OPAMP! 算放大器在实验室并不存在，所以一般会选用OP07运算放 大器代

18、替。4.2分析仿真与试验结果的差异误差分析：由于没有进行实际电路操作，故没有办法进行误差分析。不过下面我们可以采用这些来消除误差：1、消除和减少边缘效应（设计带保护环的电容传感器）；2、提高设计结构的绝缘性能；3、消除和减少寄生电容的影响增加传感器的原始电容值；集成化；运算放大器法；采用“驱动电缆”技术。第五章设计体会(1)本次课程设计，开始两天主要是查询有关关于课 题方面的资料，并且学习Multisim 软件的使用，之后我用 Multisim 软件仿真模拟了调频测量电路、交流电桥测量电 路、运算放大器式测量电路二极管双 T型交流电桥，由于我个人能力有限，在调试测量电路时，发现输生的电压有 很

19、大区别，综合各方面的考虑，最终选择了简单方便的运 算放大器测量电路。确定好电路之后，我开始对电路参数 进行调试，并运用课本知识计算自制电容大小， 什么样的、多大的电容合适。最后开始分析电路，得由处理方法和结 果，最后撰写课程设计说明书。(2)这次课程设计是我们专业课程知识综合应用的实 践训练，经过一周的课程设计，它不仅是巩固了之前所学 的知识，加深了对学过的知识的印象，锻炼了我运用课本 基础理论基础与解决实际问题相结合的能力，锻炼了我的 动手操作能力，使我对课本的基础知识有了更深一步的了 解，也使我熟悉了 Multisim软件和mathtype软件的使用， 使我以后可以利用此软件模拟课本自己不懂的电路，为以 后的学习打下了基础。在完成课程设计过程中，每一处都 凝聚了老师和同学对我的帮助，所有成果都是大家共同努 力的成果。总之这次课程设计让我的收获很大！参考文献:传感器原理及应用 赵燕版电子技术基础模拟部分康华光版数字电子技术基础 常丹华版