传感器课设布料厚度测量装置的设计说明

1、第1章摘要4第2基本原理4第3章参数设计及运算53.1结构设计53.2电容设计与计算7第4章误差分析9第5章结论910第6章心得体会9参考文献第一章摘要在这个信息化高速发展的时代，传感器作为一种最经典的微控制器， 传感器技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比 较成熟的技术，作为仪表专业的学生，我们学习了传感器，就应该把它熟练 应用到生活之中来。本文将介绍一种基于传感器控制的布料厚度测量装置。电容传感器是电子技术中的三大类无源元件（电阻，电容，电感）之一，利 用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转换。 本次课程设计主要讲解电容式传感器的使用中的一部分

2、，通过变介电常数式 电容传感器实现对布料厚度的测量。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。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。根据可以把电容传感器分为极距变化型电容传感器、面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。介质变化型电容传感器可进行非接触测量。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

3、电容电路的特性分析可以知道所测布料的厚度。第二章基本原理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 出信号的器件或装置，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，其电容量为式中，c：两极板间的电容（F）;°：真空介电常数，为8

4、.854X10-12 （F/m）,空气的介电常数与 真空近似；6: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）。公式为：c_ £S,da-d + 5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><10山用；棉布的相对介电常数；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°布料厚 度改变则d变换，随之电容变化，电压变化。本次课设宗旨就是找到d变化与 电压变化之间的关系。然后我们最

5、后会用图表的形式将这种关系表现出来，第3章参数设计及运算3.1结构设计所需元件清单：1）信号发生器（IV交流电源，频率1OOHZ）2）仪用放大器OPAMP 个3）3.5PF电容一个4）自制0.9PF电容一个5）数字万用表一个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18° C76%21° C78%20.5° C83«浸湿晾干布料厚帧棉布（含化纤1.892. 512.753.073. 94：0. 472信号发生器：信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信 号，常用作测试的信号源或激励源的设备。

6、利用信号发生器可以后的测量电 路所需要的100HZ、IV的电压。运算放大器：可以对电信号进行运算，一般具有高増益、高输入阻抗和 低输出阻抗的放大器。利用放大器可以对电信号进行放大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sS _ £o£tS(1-D电极板介质电极板平板电容器式中：S极板面积；极板间距离；%真空介电常数，£=8.85x102rJ ;勺一一相对介电常数；£电容极板间介质的介电

7、常数。当极板面积S、极板间间距/保持不变，而插入相对介电常数为片的介 质，此时构成的电容传感器为变介电常数电容传感器，保持介电常数不变而 改变介质的厚度，如下图所示。C=-(1-2)a-d + 一6式中:S测量电容的极板面积；a测量电容的极板间距离；d插入电容的测量纸的厚度；£真空介电常数，£°=8.85xlO“Fm;纸的相对介电常数;3.2电容设计与计算自制电容参数：极板面积9cm，极板间距近似a=8.85mm,网上査询资料得棉 布的相对介电常数乞=2.75,棉布厚度d=02mm。改变C2的阻值来得到电压的变化，当布料厚度d=0时：C =空=0.9pfa-d +

8、 ClCl x F1U =- xE = xa + (1)6/ = 1.664VC2巧C2傷万用1.664 V当布料厚度d=005时:C=冬 S =O9033pfa-d + UClxE小+(右-1)= 1.658运用同样的算法可得到其余36组数据，所得数据如下表:布斜厚度血)0. 050.10.150.20. 250.30.350.40.第0.5电容值(pF)0.90330. 90650. 90980.91310.91650. 91980. 92320. 926T0.93010. 9336输岀申压W1. 661.6541.6481.6421.6361.631.6241.6181.6121.606

9、布料厚度血)0. 550.60.650.70. 750.80.850.90. 951电容宿(pF)0.93710. 94060. 94410. 94770.95130. 95490. 95860. 96230.9660. 9697输出坦庄1.615帥1.5881.5221.5761. 571.5641.5581.5521.546布料厚度血)1.051.11.151.21.251.31.351.41.451.5电容佰(°F)0.97350. 97730. 9811D. 9850.98890. 99280. 99681.00071.00481. 0088输出电压®)1.541.

10、5341.5281.5221.SL61.511.5041.4981.4921.486市料度(no)1.551.61.651.T1.751.81.851.91.952电容直成)1.01291.01?1.02121.02531.02961. 03381. 03811.04241.04681. 0512输岀电压(v)1.38141.3681.4521.4561.451.3441.4381.4321.426将数据统计后得到如下d变化与u的关系:根据上面的表(3-1),我们用MRtbb绘制了厚度d与电压u的关系图线如下:厂220&42-i1ii11i卜、iUAr0020 406X121 41 *

11、i ®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与输出电压u呈线性关系由公式(1.3-2)和(2.2-3)得:(3.2-1)即:d = 13.907-8.3443t/(3.2-2)由公式(3.2-2)知厚度d与输出电压u的理论值也为线性关系。第四章误差分析误差分析：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 増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。第五章结论课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，经过两周的课程设 计，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 visio软件和multisim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。第六章心得体会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