电容传感器测量纸张厚度..-(37987)

1、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 。=仝 可以把电容传感器分为极距变化型电容传感器、面O积变化型电容传感器、介质变

2、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 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 高阻抗输出； （2 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 3）本身发热影响小（4 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，运算放大电路，仿真

3、目录第一章 对布料厚度测量装置所做的调研.3 31.11.1厚度测量装置在工业环境下的意义.3 31.21.2厚度测量装置的研究现状.3 3-章电容测厚装1置2.12.1详细介绍电容测 Q2.22.2设计匹配三早仿直/、设计3.13.1仿直/、电路的计整3.23.2仿 真 结 果 的 分析.1313第四章对课程设计进行试验.15154.14.1实验过程.15154.24.2分析仿真与试验结果的差异.1515第五章设计体会. 1616简述的设1.31.3第的绍6 6厚置路第析第一章对布料厚度测量装置所做的调研1.11.1 厚度测量装置在工业环境下的意义在现代高科技社会中，发展一些厚度测量装置具有

4、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。1.21.2 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 主要讲解一下

5、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 2mm2mm 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 术提出了挑战。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、测

6、量精度可达2.5mm,2.5mm,所以方法具有可行性。1.31.3 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1-11-1 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 1-11-1 平板电容器简图（1.3-11.3-1）式中：S S极板面积；-极板间距离;；o o 真空介电常数，；。=8.85=8.8510-12Fm-1；r 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 S、极板间间距保持不变，而插入相对介 电常数为；r

7、r 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：图 1-21-2 装置测厚简图C；oSC =-.d a - d -（1.3-21.3-2）式中: :S S测量电容的极板面积；a a测量电容的极板间距离； d d 插入电容的测量棉布的厚度；真空介电常数，o=8.85=8.8510-12Fm-1；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出来，当测量布 料厚度时，只需要测量出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2.12.1 详细介绍电容测厚装置

8、（1 1）相关器件介绍所需元件清单:1 1）信号发生器（1V1V 交流电源，频率 100HZ100HZ）2 2）仪用放大器 OPAMOPAM 一个3 3）1.5PF1.5PF 电容一个4 4）自制 0.9PF0.9PF 电容一个5 5）电压表个 0-10V0-10V6 6）开关一个7 7）布料：棉布（含化纤）表(2.1-12.1-1 )各种布料介电常数测试数据表样品焕干13 C765V 21 C7820.5浚媪瞭干 布料團un棉布（含化1. B9乙口2. 753. 070. 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。利用信号发生

9、器可以后的测量电路所需要的100HZ100HZ、1V1V 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、高输入阻抗和低输出阻抗的放大器。利用放大器可以 对电信号进行放大（2 2）自制电容参数：极板面积 9 9cm2，极板间距近似 a=8.85mm,a=8.85mm,网上查 询资料得棉布的相对介电常数r=2.75=2.75，棉布厚度d=0d=02mm2mm 自制电容如下图所示。图 2-12-1 自制电容传感器灵敏度：传感器的灵敏度是指传感器输出的变化量与引 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：（2.12.1 -1-1）对于线性传感器，其灵敏度为常数，也就是

10、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：-dx（2.1-22.1-2）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出输入特性为直线（线性） 自制电容的相对变化量：2.22.2 设计匹配电路实际试验中运算放大器用OP07OP07 来接，并且在 OP07OP07 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出电压值的变化，所以我们这里接 的是实际中并没有的 OPAMOPAM 运算放大器。我们设计的匹配 电路如下图：(2.1-3(2.1-3 )式中:r- 1N 二-N；r(a-d) )dCd1Cd1-N)ddd ,N

11、1 N (N )(N)dd d d为灵敏度因子和非显性因子。(2.2-32.2-3 )即输出电压与布料的厚度成线性比例关系E CU Cx(2.2-12.2-1即)U C0E CxU弋E寧a (_)d（2.2-22.2-2）所以第三章仿真设计及分析3.13.1仿真电路的建立因为输入电压为交流电源，输出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 1 ）当电容极板间没有放入棉布时，可以得到电容（3.1-13.1-1 ）此时电压表输出电压为C1 5U0二也*E二151V = 1.666VCx00.9（3.1-23.1-2）如图Cx0；oSa1248.85 109 108.85 10=

12、0.9PFOFAMP 3TVIRTUALS1A图 3-13-1 无棉布放入时输出电压仿真结果（2 2）当假设极板间布料厚度为0.05mm0.05mm 时，此时的电容为CSCx1 _1a (1)d；r1248.85x10 x9x101j38.85 - (1)0.05 102.758.85 9 1038.818= 0.9033PF（3-33-3）输出电压为:（3-43-4）如图图 3-23-2 布料厚度 0.05mm0.05mm 时仿真电路（3 3）当假设极板间布料厚度为0.10mm0.10mm 时，此时的电容为0SCxiqa （一 -1） d；r-42-48.85 汉 10 汉 9 勺 0厂C1

13、 5U1- E1V = 1.661VCx10.9033S1A一VI -1 Vrm100 Hii殳赛二Z31.66V13F8.85（1）0.10 102.75=0.9065PF如图:图 3-33-3 布料厚度为 0.1mm0.1mm 时仿真电路(4(4)当假设极板间布料厚度为0.15mm0.15mm 时，仿真结果如下(3-53-5 )输出电压为C。U1- ECxi(3-6(3-6 )1.50.90651V = 1.654VS1A1 VrmsOF；AMP_3T_VIRTUALF F .1.1 TFtTFtP P c c T T551 654 VEZ万用E S E 国小才】i i图 3-43-4 布

14、料厚度为 0.15mm0.15mm 时仿真电路图图 3-53-5 布料厚度为 0.2mm0.2mm 时仿真电路(6 6)当假设极板间布料厚度为0.25mm0.25mm 时，仿真结果如下图图 3-73-7 布料厚度为 0.3mm0.3mm 时仿真电路以上就是我们截取的一部分数据，我们会在第(8 8)步详细给出布料厚度与电压关系表(8(8)综合如上，我们组将0 02.0mm2.0mm 的布料以 0.05mm0.05mm 每组S1A:V1L键=AAMP 3T VIRTUALC2XMM1F FP P5 5C CX 1; Vrms JHOO Hz- AOF AMP 3T VIRTUALCiTl-I.Sp

15、F100 +x-图 3-63-6 布料厚度为 0.25mm0.25mm 时仿真电路(7(7)当假设极板间布料厚度为0.30mm0.30mm 时，仿真结果如下为单位分成 4040 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（3-13-1 ）布料厚度与电压关系布料 IB底 （mm16 050.1)35|20. 250.30+ 350.40. 450.5电容值怎町0. 90330.9065 0. 90980. 91310. 91650. 91980. 2320. 92670.93010. 9336输出电圧 4）1.&61+6481.6421.&3&L63L

16、6241,&13L612L&06布制厚度（mm）0. 550.60.650.70. 750.80.850.90.951白容 1 自（QF）0. 93710.94066 9441CL 94770. 95130.95490, 95860. 96230.96&0. 9697输岀电压（V）1.61.5941.5S81. 5821.576571.5641.5581.5521.546布料厚度（mm）1.051.11. 151. 5i.q1.451.5电容值（pF）0. 97350. 97730+58110, 9850. 98890,99280. 99681.

17、0007 1. 00481. 0088输出由压1.541.5341.F281.5221.5161.511. 504L4981.4921. 4S6布料厚应（顽）1,551.61,71.751.81.E51.91.952电容值（rf）1. 01291.0171. 02121. 02531. 02961. 03381. 03811. 0424 1.04&31. 0512输出电压（V）1,431,. 4741+4闘1.462145&L451,444L4331. 432L 4263.23.2 仿真结果的分析根据上面的表（3-13-1），我们用 MatlabMatlab 绘制了厚度 d d

18、 与 电压 u u的关系图线如下：图 3-83-8 厚度 d d 与电压 u u 的仿真图由表 3-13-1 及图 3-83-8 可知布料厚度 d d 与输出电压 u u 呈线性关 系由公式（1.3-21.3-2 ）和（2.2-32.2-3 ）得：(-r - 1) Co E(3.2-13.2-1 )即：d T3.907-8.3443U(3.2-23.2-2 )由公式(3.2-2)(3.2-2)知厚度 d d 与输出电压 u 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 d 用数字显示出来，其中电路图如下:图 3-93-9 仿真电路的结果根据厚

19、度 d d 和输出电压 u u 的关系，我们进行了模数转化，将厚度值通过数码管显示出来。如图3-93-9 所示，每次改变电容值 C2C2 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4.14.1 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OPAMOPAM 运算放大器在实验室并不存在， 所以一般会选用OP0OP07 7运算放 大器代替。4.24.2 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 1、消除和减少边缘效应（设计带保护环的电容传感器）；2 2、提高设计结构的绝缘性能；3 3、消除和减少寄生电容的影响1增加传感器的原始电容