完整word版传感器课程设计电容传感器.docx

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完整word版传感器课程设计电容传感器

燕山大学

课程设计说明书

题目：

电容式纸张厚度传感器的设计

学院（系）：

电气工程学院

年级专业：

09级仪表一班

学号：

学生姓名：

指导教师：

童凯

教师职称：

副教授

燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）：

基层教学单位：

学号

0901********

学生姓名

陈志浦

专业（班级）

09仪表一班

设计题目

电容式纸张厚度传感器的设计

设

计

技

术

参

数

1测量范围0-2mm；

2输出电压0-10V；

3极板间距4mm；

4灵敏度；

5精度。

设

计

要

求

1学习掌握电容传感器的相关知识；

2设计电容厚度传感器的极板；

3设计电容传感器的转换电路；

4电容厚度传感器的硬件调试；

5撰写报告、完成答辩。

工

作

量

第18-19周（完成资料查阅、方案设计、电路仿真、硬件调试、测试及误差分析等内容）

工

作

计

划

设计时间共10天。

第1-2天资料查阅（图书馆及网络）；理论工作原理学习。

第3-4天设计方案制定。

第5-6天电路仿真，各器件选型。

第7-8天传感器硬件调试。

第9-10天撰写报告，完成答辩。

参

考

资

料

张玉龙等。

传感器电路设计手册。

中国计量出版社。

1989年

指导教师签字

基层教学单位主任签字

说明：

此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

年月日

燕山大学课程设计评审意见表

指导教师评语：

成绩：

指导教师：

2011年6月25日

答辩小组评语：

成绩：

评阅人：

2011年6月25日

课程设计总成绩：

答辩小组成员签字：

赵彦涛、程淑红、林洪斌

2011年6月25日

摘要

第一章绪论。

介绍测厚传感器检测技术的发展概况及本课题研究的背景、目的和研究的主要内容。

第二章电容传感器的结构设计。

从电容传感器的基本工作原理出发，分析其用于测厚方面的优缺点，并结合有限元分析软件及电容精确计算公式对传

感器的边缘效应做深入研究，对传感器的结构进行优化设计，研制出具

有新型结构的电容传感器。

第三章基于电容传感器的测厚系统电路设计。

对测厚系统的整体设计方案做详细阐述，分析电容传感器的等效电路，估算出合适的工作频率范围，并对检测电路的各组成部分分别进行说明和设计。

第四章虚拟仪器技术在电容测厚系统中的应用。

根据虚拟仪器技术的应用及特点，选用LABVIEW作为开发平台，在相应的硬件基础之上，完成数据采集，虚拟仪器面板开发及用户应用程序的创建。

第五章实验与结果分析。

通过样机空载及云母纸测厚实验，得到样机各项性能指标，并对测量误差进行分析。

第六章全文总结及展望。

对虚拟电容测厚系统的研制工作进行总结，针对不足提出一些设想。

2电容传感器的结构设计

2.1电容传感器的工作原理及类型

电容传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化的一种传感器。

实际上，它本身（或和被测物）就是一个具有可变参数的电容器。

在大多数场合，电容器由两平行极板以及中间的电介质组成，当不考虑边缘效应时，其电容量为

（2-1）

式中，C：

两极板间的电容（F）；

：

真空介电常数，为8.854×10-12（F/m），空气的介电常数与真空近似；

：

极板之间介质的相对介电常数；

s：

极板的有效面积（m2）；

d：

两极板间距（m）。

当被测量的变化能使式中d，S或

发生变化时，电容量C也就随之改变，再通过一定的测量电路将其转化为电压、电流或频率等电信号输出，即可根据输出的电信号判定被测物理量的大小，这也是电容传感器的基本工作原理。

实际应用中，常使d、S、

中的两个参数保持不变，而改变其中一个来使电容发生变化。

于是，电容传感器根据参数变化的不同，分为三种基本类型，即改变极距型，改变面积型和改变介质型。

1．改变极距型电容传感器

改变极距型电容传感器适用于测量微小的线位移，图2-1为这种类型的结构原理图。

当可动极板随被测量变化而上下移动时，两极板间距变化，从而改变了电容量。

若间距减小Δd，则电容增量为

电容相对增量为

可见，输出电容的相对变化与输入位移变化是非线性关系。

为了减小非线性，提高灵敏度，一般采用差动式结构。

2．改变面积型电容传感器

改变面积型电容传感器适用于测量角位移或较大的线位移，图2-2是这种类型的结构原理图。

图中，1均为固定极板，2为动极板。

图2-2（a）是线位移式，设两极板间初始遮盖面积为s0（s0=ab），当其中一个极板沿水平方向移动x时，极板有效面积就发生变化，则电容量变化为

图2-2（b）是角位移式，设初始时两极板遮盖角度为π（相对角位移为0），遮盖面积为s，当其中一个极板转动θ角时，则极板间的电容量变化为

由式（2-4）和式（2-5）很容易看出，改变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度为常数。

3．改变介质型电容传感器

改变介质型电容传感器用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极间介质的介电常数的变化来测量温度、湿度、容量等。

这种变介质型电容传感器的结构形式很多，图2-3为检测电介质厚度的结构原理图。

图中待测物的厚度为x，相对介电常数为

。

如果极板间的其它介质是介电常数为

的空气，此时总的电容量可写为

若厚度变化Δx，则电容变化ΔCx，那么可以推导得到电容相对变化量为

其中，

式（2-7）与式（2-3）的形式相同，只是多了一个随（d−x）x变化而变化的系数Nx，（d−x）x越小，则Nx越大，传感器的灵敏度也愈大，但非线性越严重。

由式（2-6）可见，当传感器面积s和间距d一定，xε也不变时，电容只随电介质厚度x变化而变化，且x与电容的倒数成线性关系。

若经过一定的测量电路，将电容变化量转换成易于处理的电压、电流等电量变化，获得x与电量之间的关系，电介质厚度的测量就可以实现了。

2.2电容传感器在测厚方面的优缺点分析

电容传感器是用于非电量测量的三种经典式传感器之一，它用于介质厚度的测量时，具有如下优点:

1.机械结构简单。

可以不用有机材料和磁性材料构成，能经受相当大的

温度变化及各种辐射作用，因而可以在温度较高，有各种辐射等恶劣

环境下工作。

2.易于实现非接触式测量。

以极板间的电场力代替了测量头与被测物的

表面接触，由于电场力极其微弱，不会产生迟滞和变形，消除了接触

式测量由于表面应力给测量带来的不利影响。

3.动态响应速度快。

系统固有频率高，可以直接用于某些生产线上的动

态测量。

4.灵敏度高。

如果再采用现代化精密测量方法，就能测量电容纸的

的

变化量。

又因为极间的电磁吸引力十分微小，输入能量低，从而保证

了比较高的测量精度。

然而，电容传感器也有其自身的缺点，所以它的使用受到一定限制，主要原因有：

1.输出阻抗高，负载能力差。

电容量受电极的几何尺寸等限制，一般为

几个皮法到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，易受外界干扰而产

生不稳定现象，所以设计时必须采取屏蔽等措施。

2.寄生电容影响大。

因为传感器的初始电容量小，而电子线路的杂散电

容、引线电缆电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等所谓

“寄生电容”却较大，影响测量精度和灵敏度。

所以在传感器结构设计

以及检测电路中都应采取相应措施给予减少或消除。

3.量程较小。

由于传感器是依靠极板之间的间隙进行工作的，而间隙不

可能做得太大，则量程受到限制。

在测量电介质厚度时，需要根据实

际情况恰当选取极板的间距。

4.边缘效应的影响。

前面一些公式的推导都是在假设极板面积无限大而

忽略边缘效应的情况下给出的，实际上极板面积不可能无限大，边缘

效应会使传感器灵敏度降低而且产生非线性，因而边缘效应是设计电

容传感器时不容忽视的一个重要因素。

下面将对边缘效应做进一步讨

论。

2.3电容传感器的边缘效应研究

电容传感器的边缘效应是指两平行金属极板的面积不是无限大时，边缘会存在发散电场，该发散电场形成附加电容，则实际电容量大于式（2-1）的计算值。

。

为能找到减小或消除边缘效应的方法，本文通过查阅资料，最后提出减少边缘效应的几项措施。

（1）由边缘效应所形成的附加电容量相当大，不能忽略；

（2）随着两极板间的距离d增大，ΔC/C0明显增加，即误差随极板间

距的增加而显著增大；

（3）极板厚度h减小时，ΔC/C0减小，但没有极板间距改变引起的变

化明显。

综上所述，对电容传感器进行结构设计时，需要考虑到边缘效应的影响，根据以上分析，为减少边缘效应的影响，提高测量精度，在设计传感器结构参数时，应遵循以下几点：

1.在传感器体积大小允许的情况下，尽量增大传感器的有效面积，即增

大半径。

2.测量介质厚度时，尽量减少极板间距；间距一定时，在加工工艺允许

前提下将极板做得尽量薄，可以采用涂敷式技术，但成本会相应增加。

3基于电容传感器的测厚系统信号转换电路

电容传感器中电容值以及电容变化量都十分微小，不便于传输或显示，必须借助于转换电路将被测量引起的电容变化转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。

目前，常用的方法归纳起来主要有[20]-[25]：

调频法、充放电法（包括双T型二极管交流电桥电路、脉冲宽度调制电路）、调幅法（包括电桥电路、运算放大器式电路）。

下面简要分析并比较各种电路的工作原理和应用情况，确定本文测厚系统的信号转换电路。

1．调频法

调频法测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，振荡器的振荡频率随电容量的变化而变化。

这种电路虽然可将频率作为测量系统的输出量，但此时系统是非线性的，不易校正，需加入鉴频器，将频率的变化转换为振幅的变化，然后经过放大用仪器指示或记录仪记录下来。

调频测量电路原理框图如图3-1所示。

图3-1调频测量电路原理框图

图3-1中，L为振荡回路的电感；C为振荡回路的总电容，包括振荡回路的固有电容C1，传感器引线分布电容C2，以及传感器电容C0±ΔC。

调谐振荡器的振荡频率f为

这种电路灵敏度高，频率输出易于数字化处理，但需采取稳频措施以及宽带高精度电路配合，输出非线性也较大，实际电路比图3-1复杂，分布电容难以消除，不适于变间距式或检测薄型非金属材料厚度的高精度电容传感器的设计。

2．充放电法

利用电容充放电原理组成的转换电路，主要包括双T二极管交流电桥电路以及脉冲宽度调制电路。

图3-5为双T二极管交流电桥电路的原理图。

其中，Ùi表示幅值为Ui，频率为f的对称方波的高频电源电压，D1和D2为两只特性相同的理想二极管，固定电阻R1=R2=R，C1和C2为差动电容传感器的电容，Rf为负载电阻（或仪器仪表的输入电阻）。

这种交流电桥电路输出电压高，1千欧负载电阻信号上升时间为20μs左右，能应用于高速机械量的测量。

但电源的幅度、频率都需要稳定，且用于非金属材料厚度测量时，非线性误差大，分布电容也无法消除。

图3-2双T二极管交流电桥电路图3-3脉冲宽度调制电路

图3-3为脉冲宽度调制电路。

该电路由比较器A1、A2，双稳态触发器及电容充放电回路组成。

Ur为比较器的参考电压，C1、C2为传感器的差动电容，双稳态触发器的两个输出端用作线路输出。

这种脉冲宽度调制电路，只需要电压稳定度较高的直流电源，比其他测量电路中需要高稳定度交流电源易于实现；不需附加解调器，只要经低通滤波器就能获得直流输出。

但不论对于改变面积型或变间距型，只有连接成差动形式，变化量与输出量才成线性关系，且由于结构本身特性的限制，很难做到较高的灵敏度。

3．调幅法

调幅法转换电路主要有电桥电路和运算放大器式电路。

电桥电路是将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂（另一个臂为固定电容）或两个相邻臂，另外两个臂可以是电阻，也可以是变压器的两个二次线圈。

当传感器是差动情况下，可以得到输出与输入的线性关系，但在单电容情况下不成线性关系，其电路图略。

图3-4电容运算放大器式电路原理图

运算放大器式电路原理图如图3-7所示。

Cs为标准耦合电容，Cx为传感器电容，输入的交流电源电压用

表示，输出的调幅电压信号用

表示。

由运算放大器的工作原理可知，在开环放大倍数A和输入阻抗较大的理想情况下

式中“－”号表示输出电压与输入电压的相位相反，若传感器之间电介质为空气，则C=

s/d，代入上式取有效值得

这样，通过反馈运算方法，将Cx～d的非线性关系，变成了U0～d的线性关系。

本文2.1节已经介绍了变介质型电容传感器用于检测电介质厚度的基本原理。

当传感器两极板间放入被测物的厚度为x时，传感器电容

其中d为两极板间距，s为极板面积,

为被测物相对介电常数。

代入式（3-6）整理后得到

由此可知，运算放大器式调幅电路从原理上克服了电容传感器用于薄型非金属材料厚度测量时的非线性缺点，且电路结构简单。

基本的运算放大电路的缺点是，其输出电压初始值不为零，所以本文综合以上各种电路的特点设计了一种可调零式运算放大器转换电路。

4可调零式电容运算放大器转换电路

及其参数设计

图3-5可调零式电容运算放大器式电路原理图

4.1电容设计与计算

电容极板半径为3mm，基板间距为4mm大小的电容，有电容计算公式C=sε/d可求得电容C=6.252525pF，可认为电容值为6.25pF。

4.2其他参数的设计

采用10V，1KHz的交流电压，由于输出电压是毫伏级，设放大电路放大倍数为100，则由公式

可得出AD620运算放大器外接电路约为0.248KΩ，电容传感器灵敏度为1/d=1/2mm，测量电路灵敏度为1000/（4*2）mV/pf=125mV/pf