傳感器課程設(shè)計(jì)----電容式紙張厚度傳感器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)</p><p>　　題目： 電容式紙張厚度傳感器的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 </p><p>　　年級(jí)專(zhuān)業(yè)： 09級(jí)儀表一班 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　

2、學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　教師職稱(chēng)： 副教授 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　　院（系）： 基層教學(xué)單位： </p>

3、<p>　　說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。</p><p><b>　　年 月 日 </b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　第一章 緒論。介紹測(cè)厚傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展概況及本課題研究的背景、目的和研究的主要內(nèi)容。</p><

4、p>　　第二章 電容傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從電容傳感器的基本工作原理出發(fā)，分析其用于測(cè)厚方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合有限元分析軟件及電容精確計(jì)算公式對(duì)傳</p><p>　　感器的邊緣效應(yīng)做深入研究，對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出具</p><p>　　有新型結(jié)構(gòu)的電容傳感器。</p><p>　　第三章 基于電容傳感器的測(cè)厚系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。對(duì)測(cè)厚系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案做詳

5、細(xì)闡述，分析電容傳感器的等效電路，估算出合適的工作頻率范圍，并對(duì)檢測(cè)電路的各組成部分分別進(jìn)行說(shuō)明和設(shè)計(jì)。</p><p>　　第四章 虛擬儀器技術(shù)在電容測(cè)厚系統(tǒng)中的應(yīng)用。根據(jù)虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用及特點(diǎn)，選用LABVIEW 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在相應(yīng)的硬件基礎(chǔ)之上，完成數(shù)據(jù)采集，虛擬儀器面板開(kāi)發(fā)及用戶(hù)應(yīng)用程序的創(chuàng)建。</p><p>　　第五章 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析。通過(guò)樣機(jī)空載及云母紙測(cè)厚實(shí)驗(yàn)，得到樣機(jī)

6、各項(xiàng)性能指標(biāo)，并對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行分析。</p><p>　　第六章 全文總結(jié)及展望。對(duì)虛擬電容測(cè)厚系統(tǒng)的研制工作進(jìn)行總結(jié)，針對(duì)不足提出一些設(shè)想。</p><p>　　2 電容傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 電容傳感器的工作原理及類(lèi)型</p><p>　　電容傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。實(shí)際上，它本身（或

7、和被測(cè)物）就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。在大多數(shù)場(chǎng)合，電容器由兩平行極板以及中間的電介質(zhì)組成，當(dāng)不考慮邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，C：兩極板間的電容（F）；</p><p>　　：真空介電常數(shù)，為8.854×10-12（F/m），空氣的介電常數(shù)與真空近似；</

8、p><p>　　：極板之間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；</p><p>　　s：極板的有效面積（m2）；</p><p>　　d：兩極板間距（m）。</p><p>　　當(dāng)被測(cè)量的變化能使式中d，S 或 發(fā)生變化時(shí)，電容量C 也就隨之改變，再通過(guò)一定的測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)化為電壓、電流或頻率等電信號(hào)輸出，即可根據(jù)輸出的電信號(hào)判定被測(cè)物理量的大小，這也是電容傳感

9、器的基本工作原理。</p><p>　　實(shí)際應(yīng)用中，常使d、S、 中的兩個(gè)參數(shù)保持不變，而改變其中一個(gè)來(lái)使電容發(fā)生變化。于是，電容傳感器根據(jù)參數(shù)變化的不同，分為三種基本類(lèi)型，即改變極距型，改變面積型和改變介質(zhì)型。</p><p>　　1．改變極距型電容傳感器</p><p>　　改變極距型電容傳感器適用于測(cè)量微小的線位移，圖2-1 為這種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)可動(dòng)極板

10、隨被測(cè)量變化而上下移動(dòng)時(shí)，兩極板間距變化，從而改變了電容量。若間距減小Δd，則電容增量為</p><p><b>　　電容相對(duì)增量為</b></p><p>　　可見(jiàn)，輸出電容的相對(duì)變化與輸入位移變化是非線性關(guān)系。為了減小非線性，提高靈敏度，一般采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2．改變面積型電容傳感器</p><p&g

11、t;　　改變面積型電容傳感器適用于測(cè)量角位移或較大的線位移，圖2-2 是這種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中，1 均為固定極板，2 為動(dòng)極板。</p><p>　　圖2-2（a）是線位移式，設(shè)兩極板間初始遮蓋面積為s0(s0=ab)，當(dāng)其中一個(gè)極板沿水平方向移動(dòng)x 時(shí)，極板有效面積就發(fā)生變化，則電容量變化為</p><p>　　圖2-2（b）是角位移式，設(shè)初始時(shí)兩極板遮蓋角度為π（相對(duì)角位移為0），

12、遮蓋面積為s，當(dāng)其中一個(gè)極板轉(zhuǎn)動(dòng)θ角時(shí)，則極板間的電容量變化為</p><p>　　由式（2-4）和式（2-5）很容易看出，改變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度為常數(shù)。</p><p>　　3．改變介質(zhì)型電容傳感器</p><p>　　改變介質(zhì)型電容傳感器用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)的變化來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量等。這種變介質(zhì)

13、型電容傳感器的結(jié)構(gòu)形式很多，圖2-3 為檢測(cè)電介質(zhì)厚度的結(jié)構(gòu)原理圖。</p><p>　　圖中待測(cè)物的厚度為x，相對(duì)介電常數(shù)為 。如果極板間的其它介質(zhì)是介電常數(shù)為 的空氣，此時(shí)總的電容量可寫(xiě)為</p><p>　　若厚度變化Δx，則電容變化ΔCx，那么可以推導(dǎo)得到電容相對(duì)變化量為</p><p><b>　　其中，</b></p>

14、<p>　　式（2-7）與式（2-3）的形式相同，只是多了一個(gè)隨(d ? x) x 變化而變化的系數(shù)Nx， (d ? x) x 越小，則Nx 越大，傳感器的靈敏度也愈大，但非線性越嚴(yán)重。</p><p>　　由式（2-6）可見(jiàn)，當(dāng)傳感器面積s 和間距d 一定， x ε 也不變時(shí)，電容只隨電介質(zhì)厚度x 變化而變化，且x 與電容的倒數(shù)成線性關(guān)系。若經(jīng)過(guò)一定的測(cè)量電路，將電容變化量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流

15、等電量變化，獲得x 與電量之間的關(guān)系，電介質(zhì)厚度的測(cè)量就可以實(shí)現(xiàn)了。</p><p>　　2.2 電容傳感器在測(cè)厚方面的優(yōu)缺點(diǎn)分析</p><p>　　電容傳感器是用于非電量測(cè)量的三種經(jīng)典式傳感器之一，它用于介質(zhì)厚度的測(cè)量時(shí)，具有如下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?？梢圆挥糜袡C(jī)材料和磁性材料構(gòu)成，能經(jīng)受相當(dāng)大的</p><p>

16、;　　溫度變化及各種輻射作用，因而可以在溫度較高，有各種輻射等惡劣</p><p><b>　　環(huán)境下工作。</b></p><p>　　2. 易于實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。 以極板間的電場(chǎng)力代替了測(cè)量頭與被測(cè)物的</p><p>　　表面接觸，由于電場(chǎng)力極其微弱，不會(huì)產(chǎn)生遲滯和變形，消除了接觸</p><p>　　式測(cè)量由于表

17、面應(yīng)力給測(cè)量帶來(lái)的不利影響。</p><p>　　3. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。系統(tǒng)固有頻率高，可以直接用于某些生產(chǎn)線上的動(dòng)</p><p><b>　　態(tài)測(cè)量。</b></p><p>　　4. 靈敏度高。如果再采用現(xiàn)代化精密測(cè)量方法，就能測(cè)量電容紙的的</p><p>　　變化量。又因?yàn)闃O間的電磁吸引力十分微小，輸入能量低，

18、從而保證</p><p>　　了比較高的測(cè)量精度。</p><p>　　然而，電容傳感器也有其自身的缺點(diǎn)，所以它的使用受到一定限制，主要原因有：</p><p>　　1. 輸出阻抗高，負(fù)載能力差。電容量受電極的幾何尺寸等限制，一般為</p><p>　　幾個(gè)皮法到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，易受外界干擾而產(chǎn)</p><

19、;p>　　生不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須采取屏蔽等措施。</p><p>　　2. 寄生電容影響大。因?yàn)閭鞲衅鞯某跏茧娙萘啃。娮泳€路的雜散電</p><p>　　容、引線電纜電容以及傳感器內(nèi)極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等所謂</p><p>　　“寄生電容”卻較大，影響測(cè)量精度和靈敏度。所以在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　以及檢測(cè)

20、電路中都應(yīng)采取相應(yīng)措施給予減少或消除。</p><p>　　3. 量程較小。由于傳感器是依靠極板之間的間隙進(jìn)行工作的，而間隙不</p><p>　　可能做得太大，則量程受到限制。在測(cè)量電介質(zhì)厚度時(shí)，需要根據(jù)實(shí)</p><p>　　際情況恰當(dāng)選取極板的間距。</p><p>　　4. 邊緣效應(yīng)的影響。前面一些公式的推導(dǎo)都是在假設(shè)極板面積無(wú)限大而

21、</p><p>　　忽略邊緣效應(yīng)的情況下給出的，實(shí)際上極板面積不可能無(wú)限大，邊緣</p><p>　　效應(yīng)會(huì)使傳感器靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因而邊緣效應(yīng)是設(shè)計(jì)電</p><p>　　容傳感器時(shí)不容忽視的一個(gè)重要因素。下面將對(duì)邊緣效應(yīng)做進(jìn)一步討</p><p><b>　　論。</b></p><p

22、>　　2.3 電容傳感器的邊緣效應(yīng)研究</p><p>　　電容傳感器的邊緣效應(yīng)是指兩平行金屬極板的面積不是無(wú)限大時(shí)，邊緣會(huì)存在發(fā)散電場(chǎng)，該發(fā)散電場(chǎng)形成附加電容，則實(shí)際電容量大于式（2-1）的計(jì)算值。。為能找到減小或消除邊緣效應(yīng)的方法，本文通過(guò)查閱資料，最后提出減少邊緣效應(yīng)的幾項(xiàng)措施。</p><p>　?。?） 由邊緣效應(yīng)所形成的附加電容量相當(dāng)大，不能忽略；</p>

23、<p>　?。?） 隨著兩極板間的距離d 增大，ΔC/C0 明顯增加，即誤差隨極板間</p><p>　　距的增加而顯著增大；</p><p>　?。?） 極板厚度h 減小時(shí)，ΔC/C0 減小，但沒(méi)有極板間距改變引起的變</p><p><b>　　化明顯。</b></p><p>　　綜上所述，對(duì)電容傳感器進(jìn)

24、行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到邊緣效應(yīng)的影響，根據(jù)以上分析，為減少邊緣效應(yīng)的影響，提高測(cè)量精度，在設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1. 在傳感器體積大小允許的情況下，盡量增大傳感器的有效面積，即增</p><p><b>　　大半徑。</b></p><p>　　2. 測(cè)量介質(zhì)厚度時(shí)，盡量減少極板間距；間距一定時(shí)，在加工工

25、藝允許</p><p>　　前提下將極板做得盡量薄，可以采用涂敷式技術(shù)，但成本會(huì)相應(yīng)增加。</p><p>　　3 基于電容傳感器的測(cè)厚系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　電容傳感器中電容值以及電容變化量都十分微小，不便于傳輸或顯示，必須借助于轉(zhuǎn)換電路將被測(cè)量引起的電容變化轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。目前，常用的方法歸納起來(lái)主要有[20]-[25

26、]：調(diào)頻法、充放電法（包括雙T型二極管交流電橋電路、脈沖寬度調(diào)制電路）、調(diào)幅法（包括電橋電路、運(yùn)算放大器式電路）。</p><p>　　下面簡(jiǎn)要分析并比較各種電路的工作原理和應(yīng)用情況，確定本文測(cè)厚系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。</p><p><b>　　1．調(diào)頻法</b></p><p>　　調(diào)頻法測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，振蕩

27、器的振蕩頻率隨電容量的變化而變化。這種電路雖然可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，需加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，然后經(jīng)過(guò)放大用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)。調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖</p><p>　　圖3-1中，L為振蕩回路的電感；C為振蕩回路的總電容，包括振蕩回路的固有電容C1，傳感器引

28、線分布電容C2，以及傳感器電容C0±ΔC。調(diào)諧振蕩器的振蕩頻率f為</p><p>　　這種電路靈敏度高，頻率輸出易于數(shù)字化處理，但需采取穩(wěn)頻措施以及寬帶高精度電路配合，輸出非線性也較大，實(shí)際電路比圖3-1復(fù)雜，分布電容難以消除，不適于變間距式或檢測(cè)薄型非金屬材料厚度的高精度電容傳感器的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2．充放電法</b></p&g

29、t;<p>　　利用電容充放電原理組成的轉(zhuǎn)換電路，主要包括雙T二極管交流電橋電路以及脈沖寬度調(diào)制電路。</p><p>　　圖3-5為雙T二極管交流電橋電路的原理圖。其中，Ùi表示幅值為Ui，頻率為f的對(duì)稱(chēng)方波的高頻電源電壓，D1和D2為兩只特性相同的理想二極管，固定電阻R1=R2=R，C1和C2為差動(dòng)電容傳感器的電容，Rf為負(fù)載電阻(或儀器儀表的輸入電阻)。</p><

30、;p>　　這種交流電橋電路輸出電壓高，1千歐負(fù)載電阻信號(hào)上升時(shí)間為20μs左右，能應(yīng)用于高速機(jī)械量的測(cè)量。但電源的幅度、頻率都需要穩(wěn)定，且用于非金屬材料厚度測(cè)量時(shí)，非線性誤差大，分布電容也無(wú)法消除。</p><p>　　圖3-2 雙T二極管交流電橋電路 圖3-3 脈沖寬度調(diào)制電路</p><p>　　圖3-3為脈沖寬度調(diào)制電路。該電路由比較器A1、A2，雙

31、穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。Ur為比較器的參考電壓，C1、C2為傳感器的差動(dòng)電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端用作線路輸出。</p><p>　　這種脈沖寬度調(diào)制電路，只需要電壓穩(wěn)定度較高的直流電源，比其他測(cè)量電路中需要高穩(wěn)定度交流電源易于實(shí)現(xiàn)；不需附加解調(diào)器，只要經(jīng)低通濾波器就能獲得直流輸出。但不論對(duì)于改變面積型或變間距型，只有連接成差動(dòng)形式，變化量與輸出量才成線性關(guān)系，且由于結(jié)構(gòu)本身特性的限制，很難做到較高的

32、靈敏度。</p><p><b>　　3．調(diào)幅法</b></p><p>　　調(diào)幅法轉(zhuǎn)換電路主要有電橋電路和運(yùn)算放大器式電路。</p><p>　　電橋電路是將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂（另一個(gè)臂為固定電容）或兩個(gè)相鄰臂，另外兩個(gè)臂可以是電阻，也可以是變壓器的兩個(gè)二次線圈。當(dāng)傳感器是差動(dòng)情況下，可以得到輸出與輸入的線性關(guān)系，但在單電

33、容情況下不成線性關(guān)系，其電路圖略。</p><p>　　圖3-4 電容運(yùn)算放大器式電路原理圖</p><p>　　運(yùn)算放大器式電路原理圖如圖3-7 所示。Cs 為標(biāo)準(zhǔn)耦合電容，Cx 為傳感器電容，輸入的交流電源電壓用表示，輸出的調(diào)幅電壓信號(hào)用表示。由運(yùn)算放大器的工作原理可知，在開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A 和輸入阻抗較大的理想情況下</p><p>　　式中“－”號(hào)表示輸出電壓與

34、輸入電壓的相位相反，若傳感器之間電介質(zhì)為空氣，則C =s /d ，代入上式取有效值得</p><p>　　這樣，通過(guò)反饋運(yùn)算方法，將Cx～d 的非線性關(guān)系，變成了U0～d 的線性關(guān)系。本文2.1 節(jié)已經(jīng)介紹了變介質(zhì)型電容傳感器用于檢測(cè)電介質(zhì)厚度的基本原理。當(dāng)傳感器兩極板間放入被測(cè)物的厚度為x 時(shí)，傳感器電容</p><p>　　其中d 為兩極板間距，s 為極板面積, 為被測(cè)物相對(duì)介電常數(shù)。

35、代入式（3-6）整理后得到</p><p>　　由此可知，運(yùn)算放大器式調(diào)幅電路從原理上克服了電容傳感器用于薄型非金屬材料厚度測(cè)量時(shí)的非線性缺點(diǎn)，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。</p><p>　　基本的運(yùn)算放大電路的缺點(diǎn)是，其輸出電壓初始值不為零，所以本文綜合以上各種電路的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種可調(diào)零式運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換電路。</p><p>　　4 可調(diào)零式電容運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換電路</

36、p><p><b>　　及其參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖3-5 可調(diào)零式電容運(yùn)算放大器式電路原理圖</p><p>　　4.1電容設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p>　　電容極板半徑為3mm，基板間距為4mm大小的電容，有電容計(jì)算公式C=sε/d 可求得電容C=6.252525pF，可認(rèn)為電容值為6.25pF。</