电容式称重传感器课程设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业东北石油大学课 程 设 计 2015 年 7 月 8课 程 传感器课程设计 题 目 电容式重量测量系统设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 测控技术与仪器 12-2 学生姓名 学生学号 指导教师 邹彦艳 刘继承 精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业任务书课程课程 传感器课程设计传感器课程设计题目题目 电容式重量测量系统电容式重量测量系统专业 测控技术与仪器 姓名 桂存斌 学号 0 主要内容：主要内容：电容式重量传感器：设计的传感器根据受压不同，输出信号不同。本设计要求完成重量传感器的设计，采用电容式设计电路。电容式称重传感器是要求把被称物体重

2、量转换为电容容量变化的一种传感器。通常为差动变间距电容式称重传感器，采用调频电路，要求是一个具有可变参数的电容器。基本要求：基本要求：1、按照技术要求，设想不同的设计方案并进行比较。2、利用电容的特性设计出一种称重的应用电路。3、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图。主要参考资料：主要参考资料：1 黄贤武.传感器原理与应用M.北京：高等教育出版社，2004.3.2 李刚，林凌.现代测控电路M.北京:高等教育出版社，2004.5.3孟立凡，郑宾.传感器原理与技术M.北京：国防工业出版社，2005.6.4 沙占友.集成传感器应用M.北京：中国电力出版社，2005.12完成期限 2015

3、.7.42015.7.8 指导教师 专业负责人 2015 年 7 月 1 日精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业摘 要电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器，由于这种传感器具有结构简单，适应性强，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、检测领域。此文就以电容式重量传感器来研究。本文介绍了电容式重量传感器的结构，以及其测量电路，分析电容称重传感器的特性和相关参数选取，通过一系列的资料查询所得结果表明该电容式重量传感器具有很好的稳定性、重复性和无滞后性，具有一定的实用价值。

4、关键词关键词：电容式传感器；称重；差动；放大；精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 目录目录精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业电容式重量传感器设计一 、设计要求及用途1 1、功能与用途、功能与用途设计的电容式重量传感器电路，当被称重物差动改变电容的间距而使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生相应变化，在鉴频器上变换为振幅的变化，经放大转换成一个直流的高电平信号输出，在称重仪表显示。要求设计的传感器具有结构简单，能实现非接触测量，适应性强，体积小，灵敏度高，分辨率高等特点。重量传感器主要应用在各种电子衡器、工业控制领域、在线控制、安全过载报警、材料试验机等领域。如电子汽车衡、电子台

5、秤、电子叉车、动态轴重秤、电子吊钩秤、电子计价秤、电子钢材秤、电子轨道衡、料斗秤、配料秤、罐装秤等。2 2、课题研究的意义、课题研究的意义称重计量技术的应用领域，已经遍及冶金、交通、铁道、电力、建材、化工、轻工等部门。在生产过程或工艺流程中，对各种配料称重、定量称重及现场称重技术的要求越来越高。现代的称重计量仪器或衡器，不仅要作为过程检测系统中的一个单元而具有测量、计算、控制、检验及通讯等功能。它们已成为工艺技术、预包装技术、收发货业务及商业销售行业中必不可少的组成部分，推进了工业生产和贸易交往的自动化和合理化。本文主要是针对称重传感器进行介绍。称重传感器在工业过程检测和商贸结算等方面，作为电

6、子衡器的心脏部件而倍受重视。传统的称重传感器主要有压电式、压磁式、电阻应变式等几种。压电式称重传感器是利用压电材料的压电效应，当有外力作用在压电元件上，就有电压（或电荷）输出。压电式传感器形小体轻、工作频带较宽、机械强度高、刚性大、工作变形小，绝缘强度高，广泛用于机床切削力、机械振动、冲击等领域的测量。但由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，这就要求测量电路的输入阻抗近乎无限大，这很难实现。且输出能量小，低频特性比较差，只适合于各种动态力的测量。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业压磁式称重传感器的工作原理是利用铁磁材料（如镍、铁镍、铁硅合金等）的压磁效应工作的

7、。即当被测力作用在铁磁材料上时，铁磁材料在产生机械变形和内应力的同时，铁磁材料的磁导率也发生变化。如果铁磁材料上绕有线圈的话，将引起铁芯中的磁阻变化，从而导致自感或互感的变化，相应的输出电势也随被测力的大小而变化，通过测量电路，就可测出力的大小。压磁式传感器抗干扰能力强，过载能力大，对运行条件的要求低，能在较差的环境条件（灰尘、水和腐蚀性气体、温度湿度较恶劣）下工作，在冶金、矿山、化工领域有广泛应用。但长期稳定性和线性差。3 3、国内外发展现状、国内外发展现状电阻应变式称重传感器是现阶段应用最广、性能稳定、精度高、技术成熟的称重传感器。它是利用金属的应变效应或半导体的压阻效应进行转换的，在被测

8、力的作用下，弹性体发生形变带动附在其上的应变片发生形变，对应产生电阻的变化，电阻的变化反映的大小。这种传感器具有体积小、反应快、线性好、重复性好、使用方便等优点。但该传感器模拟电压输出信号，能量低，需放大电路和转换电路，相应成本增加。这些传感器都是模拟式的，即把待测力转换成与之成确定关系的电学量 。称重传感器是电子称重的核心部件，从原理上分为电阻应变式、压磁式、振弦式等。 电阻应变式称重传感器因制作简单、工艺成熟、准确度高（最高准确度目前可做到非线性、重复性、滞后指标优于 0.01%） ，占据着称重传感器 90%以上的市场份额。电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下质量或力的测量，在工业生产

9、过程检测、控制、自动称量等领域已大量应用。随着工业控制系统向数字化发展，近几年来数字式称重传感器被开发并已得到应用，数字式称重传感器可由微处理器对常规桥路进行补偿和调整，进行非线性、滞后、蠕变等性能的修正，从而大大提高称重传感器的性能。由于它直接输出数字量，大大提高了传输中的抗干扰能力，并使得与计算机的通信极为方便。由于取消了仪表中的模拟放大、转换等环节，使仪表大为简化 .压磁式称重传感器的代表厂家是 ABB 公司，该传感器输出功率大，过载能力强，可在高温、潮湿、多尘等恶劣环境条件下长期工作。 振弦式称重传感器的代表厂家是瑞士哈斯勒公司，该公司采用的振弦式称重传感器的电子皮带秤已在国内有较多用

10、。这种称重传感器的特点如下：重复性、线性用了低漂移高增益放大器、高分辨率转换器、闪存、电可擦存储器和非易失性随机存储器、通信标准、现场总线等技术，使其性能和功能都有了很大提高。同时，还应用了 一调制型模数转换器和印刷电路板的表面安装等新技术。这些新技术的采用，进一步提高了称重仪表的性能精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业和可靠性，并为仪表小型化创造了有利条件。在性能上已能做到：非线性优于0.01%，灵敏度优于 0.2，A/D 转换速度一般为 10-30 次，用于动态称重时可达 100 以上。功能上包括：各种参数的设定，如分度值、量程、校准参数、计算系数、皮重等设定；零点自动跟踪；自动去皮

11、；量程自动校准；动态检测；开机自检和故障诊断；停电数据保护；超载报警；非线性补偿；满刻度的0.01，稳定性为 0.03，与电阻应变式称重传感器的指标大体相当；微小的被测力变化可产生较大的频率变化，分辨率高达百万分之一，灵敏度高；直接数字称重，被处理的信以及毛重、净重、皮重和累加值的显示等。 为了便于与计算机通信，现在的称重仪表都配有输入输出接口，如RS-232c,RS-485.20mA 电流环、模拟量（ 4.20mA）以及继电器输出等。为了适应各种应用的需要，当前称重仪表发展的一个趋势是：通过硬件或软件的积木式组合来实现不同的功能需求。称重仪表另一个发展趋势是小型化。小型或微型仪表主要用于小号

12、及输出信号都是数字信号，处理过程无、转换，运算精确度高；抗电气干扰、抗振动干扰能力强；传感器内装有温度传感器，温度补偿灵敏度可达 0.0001%。；非位移式测量原理，测量过程几乎无位移发生，不影响秤架的校准状态；有动态过载保护装置；最多15 台传感器可在同一根串行总线上传递信号，最大传送距离为500，因此，这种称重传感器是未来传感器发展的一个方向。单杠杆式秤架只有一组称量杠杆，其上支撑了一组或几组称量托辊，秤架通常由称量杠杆、支点、平衡重物等组成，但称量准确度不高，精度通常为一。双杠杆式秤架由对称的两组称量杠杆组成，每组称量杠杆上支撑了一组或几组称量托辊，秤架结构复杂，秤体庞大，但它的两组称量

13、杠杆在称量过程中可以抵消一些水平分力（如皮带张力、皮带跑偏引起的侧向力）对称量精确度的影响，所以秤架性能稳定，称型生产设备和移动的称重系统中，例如定量包装秤、叉车秤、货车秤、可移动的台秤等二、方案设计目前称重传感器的敏感元件的类型主要有应变片、电容、电感等。针对敏感元件的不同可以将称重传感器的设计分为下面三种不同的设计方案：方案一方案一：电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生

14、变化（增大或减小） ，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流） ，从而完成了将外力变换为电信号的过程。公式电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱。图 1 应变式称重原理框图方案二方案二：电感式称重传感器电感式称重传感器在电感式压力传感器中，首先用弹性元件将被测压力转换成弹性元件的位移，再用电学的方法将位移转换成自感或互感系数的变化，最后由测量电路转换成与被测压力成正比的电流或电压输出。电感式的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用

15、于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。 图 2 电感式称重原理框图方案三方案三：电容式重量传感器电容式重量传感器电容式传感器是按照两块平行极板之间的极距、面积或介质的变化引起相应的电容的变化这一原理来称重的。电容式称重传感器主要是基于外加载荷改变电容平行极板的间隙来改变电容这一原理上的，在通过测量电路将电容的变化转换成频率量。电容式称重传感器有着自己独特的优点：能耗低，

16、结构简单，环境适应力强，电路简单，输出数字信号，简化了二次仪表的开发，体积小，重量轻。同时也存精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业在着一些缺点，本身工作电容较低，寄生电容有时大于工作电容，抗干扰能力差。近来科技的发展，使得电容传感器能与放大电路、振荡电路做在一起，减少了干扰和分布电容对之的影响，精度有所提高，使电容器愈来愈受到人们的关注。图 3 电容式称重原理框图三、电容式传感器工作原理电容式称重传感器的原理：电容式称重传感器是把被称物体重量转换为电容容量变化的一种传感器。通常为差动变间距电容式称重传感器，采用调频电路，实际上就是一个具有可变参数的电容器。当被称重物差动改变电容的间距而使

17、电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生相应变化，在鉴频器上变换为电压振幅的变化，经放大转换成一个直流的高电平信号输出，在称重仪表显示。这时，可以通过电压的变化测出相应的重量。由式(1)可知，电容量 c 与极板距离 d 不是线性关系,而是如图 32 所示的双曲线关系。若电容器极板距离由初始值 do 缩小d，极板距离分别为 do 和 do-d，其电容量分别为 C0 和 C1，即00dAC (1)202000001111dddddAdddAddAC (2)改善击穿条件的办法是在极板间放置云母片，如图 33 所示。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业云母的相对介电系数为空气的 7 倍，其击穿电压不

18、小于 103kvmm、而空气的击穿电压仅为 3kvmm。即使厚度为 o01mm e6 云母片它的击穿电压也不小于10kvmm。因此有云母片，极板之间的起始距离可以大大减小。同时式(35)分母中的：项是恒定值它能使电容式传感器的输出特性的线性度得到改善，只要云母片厚度选取得当，就能获得较灯的线性关系。一放电容式传感器的起始电容在 20 一 30pF 之间，极板距离在 25200Pm 的范围内。最大位移应该小于间距的110。这样可以消除外界因素所造成的测量误差。四、电路的工作原理图 4 电容式称重传感器原理图电容式称重传感器是把被称物体重量转换为电容容量变化的一种传感器。通常为差动变间距电容式称重

19、传感器，采用调频电路，实际上就是一个具有可变参数的电容器。若 Cx1=Cx2,因两电容上叠加的交流电压值相等但相位相反，则U0=0。若 Cx1Cx2，因两电容上叠加的交流电压值不等相位相反，则 U00，即桥路有输出电压。当被称重物差动改变电容的间距而使电容量发生变化时，R1 前的电压变化，经过有 A1 构成的滤波器后，由 A2 和 R3，R4，Rf 构成的运算放大精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业器进行放大，从而得到一个可用输出信号，根据输出电压的大小，可以计算出电容的变化量，进而测出所受重量。五、单元电路设计、参数计算和器件选择1、单元电路设计（1）电容传感器转换电路图 5 转换电路

20、图中 Cx 为电容传感器，差动接法时，若 Cx1=Cx2,因两电容上叠加的交流电压值相等但相位相反，则 U0=0。当受到重量作用时，电容的极距会发生变化，从而导致 Cx1Cx2，因两电容上叠加的交流电压值不等相位相反，则 U00，即电路有输出电压。通过这种方法，可以将受力导致的电容的变化转换成相应的电压量的变化。（2）滤波电路图 6 滤波电路电路所示是一个反 相输入的一阶低通滤波器，滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。(3)运算放大电路图 7 运算放大电路精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业图中所示的是一个反相的运算放大

21、电路，其作用主要是要将原输出信号进行适当的放大，以便更好的测量。电路的放大倍数为-Rf/R1，选择适当的电阻，即可得到想要的放大倍数。2、器件选择Rl-R4 选用 1/4W 金属膜电阻器或碳膜电阻器。Rf1 和 Rf2 选用超小型合成碳膜电位器或可变电阻器。Cx1、Cx2 均选用耐压值为 l6V 的铝电解电容器，C 选用高频瓷介电容器或玻璃釉电容器。变压器和可变电容器 Cx1、Cx2 构成电容传感器转换电路，将电容的改变值转换为电压值。R1、R2、Rf1、A1 与 C 构成一阶低通滤波器。R4、R3、Rf2 与 A2构成运算放大器。3、元器件清单表 1 元器件清单编号名称型号数量Cx1可变电容

22、 1220 u/10V 1Cx2可变电容 2220 u/10V 1C电解电容0.01 u 1R1 固定电阻 1680 1R2 固定电阻 2680 1R3 固定电阻 3680 1R4 固定电阻 4680 1Rf1 可调电阻 1200K 1Rf2 可调电阻 2200K 1六、总结随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、正确的称量，特别是随着微处理机的出现，产业生产过程自动化程度化的不断进步，称重传感器已成为过程控制中的一种必须的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和

23、粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业虽说电容式传感器有些缺点，例如输出具有非线性，寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度等。但是它的优点更为明显：功率小、阻抗高；静电引力小、动态特性良好；和电阻式传感器相比，电容式传感器本身发热影响小；可进行非接触测量；结构简单，适应性强，可以在温度变化比较大或具有各种辐射的恶劣环境中工作，因此电容式传感器具有很好的应用前景。在这次设计过程中，我查阅了好多资料，解决电容式测重的设计要求，在将电容的变化量转换为频率变化和频率/电压转换的过程中遇到了很大的困难，自己所学的知识不

24、能解决这个问题，后来通过翻阅相关知识，才解决了这些问题。虽说这个课程对自己来说有些难度，但是通过它，我提高了自己自学的能力，了解了一些原来没有接触过的知识，收获还是挺大的。电容式传感器与电阻式、电感式等传感器相比有如下一些优点：(1)高阻抗、小功率,因而所需的输入力很小，输人能量也很低。电容式传感器因带电极板 间静电引力极小(约几个 10-5 N)，因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入能量低的 测量问题，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏,分辨力非常髙，能 感受 0.001m 甚至更小的位移。(2)温度稳定性好。传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料， 又因本身发热极小，对稳定性影响甚微。(3)结构简单，适应性强，待测体是导体或半导体均可,可在恶劣环境中工作。电容式传感 器结构简单,易于制造,可做得非常小巧，以实现某些特殊的测量;能工作在高低温、强辐射及强 磁场等恶劣的环境中，也能对带有磁性的工件进行测量。(4)动态响应好。由于极板间的静电引