电容传感器测量纸张厚度

摘要本次课程设计主要讲解电容式传感器使用中一部分,传感器技术是现代信息技术主要内容之一。传感器是将能够感受到及规定被测量按照一定规律转换成可用输出信号器件或装置，通常山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）部分；转换元件是指传感器中能将敬感元件感受或响应被探测量转换成适于传输和测量电信号部分。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。根据实际不同需求，可以利用不同电路来实现所需要功能。电容式传感器特点：（1）小功率、高阻抗。电容传感器电容量很小，一般为儿十到儿白微微法，因此具有高阻抗输出；（2）小静电引力和良好动态特性。电容传感器极板间静电引力很小，工作时需要作用能量极小和它有很小可动质量，因而具有较高固有频率和良好动态响应特性；（3）本身发热影响小（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一种精密测量，它可以实现简单厚度测量，根据电容电路特性分析可以知道所测布料厚度。关键词：厚度测量装置，电容传感器，运算放大电路，仿真目录-1-/16第一章对布料厚度测量装置所做调研1」厚度测量装置在工业环境下意义 31.2厚度测量装置研究现状 31.3简述设计整体思路 4第二章 电容测厚装置介绍 62」详细介绍电容测厚装置 62.2设计匹配电路 -8第三章仿真设计及分析 93」仿真电路建立 93.2仿真结果分析 13第四章 对课程设计进行试验 154.1实验过程 154.2分析仿真及试验结果差异 15第五章设计体会 16-2-/16第一章对布料厚度测量装置所做调研1.1厚度测量装置在工业环境下意义在现代屈科技社会中，发展一些耳度测量装置具有非常重大意义，厚度测量装置使用将会大大减少人力投入，更加方便快捷得到高精度，高质量产品，此次我们研究得课题是布料厚度测量，我们很容易联想到我们身边各种丝质，棉质等布匹，但是如何在生产时得到等厚度布料呢。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发明。1.2厚度测量装置研究现状因为我们所介绍主要是布料厚度测量，所以我们主要讲解一下非金属厚度测量应用，经过查阅资料知道，现如今各种传感器品种众多，所以测量方式也不尽相同。LI前，非金属厚度检测大多数是以位移检测为基础无接触测量，测量方法很多，视对象不同，常釆用超声，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要求，但需要耦合剂，被测厚度需要大于2mmo射线法需要放射源，存在需加防护措施，成本高等问题,推广使用有一定难度。涡流测厚可在油污、尘埃、湿度、高温恶劣工业环境下长期工作，但一般用于金属用度检测，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厚度，因为其设备简单、经济、测量精度可达2.5mm,所以方法具有可行性。-3-/161.3进行自己设计整体思路电容式传感器是以各种类型电容器作为传感元件，通过电容传感元件，将被测物理量变化转换为物理量变化。因此电容式传感器基本工作原理可以用图1-1所示平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，平板电容器电容为电极板平板电容器图1-1平板电容器简图(1.3-1)式中：S——极板面积；<5——极板间距离；——真空介电常数，金二8.85><10」2斤『；名一一相对介电常数；£——电容极板间介质介电常数。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6介质，此时构成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厚度。如下图所示：-4-/16图1-2装置测厚简图(1.3-2)式中:S——测量电容极板面积；a——测量电容极板间距离；d——插入电容测量棉布厚度；%——真空介电常数，名二8.85xlO」2Fm“；名一一棉布相对介电常数；在实验过程中，我们将得到电压及卑度关系，然后我们最后会用图表形式将这种关系表现出来，当测量布料厚度时，只需要测量出电圧值然后及图表进行比较就会得到相应厚度值。-5-/16第二章电容测厚装置介绍2.1详细介绍电容测厚装置（1）相关器件介绍所需元件清单：1）信号发生器（IV交流电源，频率100HZ）2）仪用放大器OPAMP—个3）1.5PF电容一个4）自制0.9PF电容一个5）电压表一个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拯表样品烘干18°C76%21°C78%2D.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,常用作测试信号源或激励源设备。利用信号发生器可以后测量电路所需要100HZ、IV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放大器。利用放大器可以对电信号进行放大（2）自制电容参数：极板面积952,极板间距近似沪8.85mm,网上查询资料得棉布相对介电常数勺二2.75,棉布厚度d二0~2mm,自制电容如下图所示。-6-/162-1自制电容传感器灵敬度：传感器灵敬度是指传感器输出变化量及引起该变化量输入变化量之比即为其静态灵敬度。灵敬度表达式：(2.1-1)对于线性传感器，其灵敬度为常数，也就是传感器特性曲线斜率。对于非线性传感器，灵敏度是变量，其表达式为：(2.1-2)一般要求传感器灵敏度较高并在满量程内是常数为佳，这就要求传感器输出输入特性为直线(线性)。自制电容相对变化量：ACAdA71——=——xNx-------------C〃1—心d(2.1-3)AJ Ad M MxN[l+N〒+(N=)(“〒)+…]cl a cl cl式中：，为灵敏度因子和非显性因子。-7-/162.2设计匹配电路-8-/16实际试验中运算放大器用OP07来接,并且在OP07上面接一个很大电阻,但是试验中我们发现山于电阻值改变会稍微影响一点输出电压值变化，所以我们这里接是实际中并没有OPAMP运算放大器。我们设汁匹配电路如下图：根据放大器原理可以得出ExC=-UxCx(2.2-1)0即(2.2-2)所以U"式xE=--^-xM+(£—l)d](2.2-3)即输出电压及布料用度成线性比例关系。-9-/16第三章仿真设计及分析3.1仿真电路建立因为输入电压为交流电源，输出电压为交流电压有效值，则根据以上公式带入测量参数得（1）当电容极板间没有放入棉布时,可以得到电容(3.1-1)此时电压表输出也k为C15(3.1-2)U()=—^-*E=—xIV=1.666V50.9如图.........C2.............II•••U!I•1p—••*0・9pF•二1Vrms1.5pF+-\“100Hz0\ OFAMP3TVIRTUAL ・・图3-1无棉布放入时输岀电压仿貞•结果-10-/16（2）当假设极板间布料厚度为0.05mm时，此时电容为5---------i--------a+(----l)xd&85xl0"l24厂x9xl0-=--------------j------------------------F[8.85+(一-DxO.O5]xlO"32.758.85x9x10"「8.818=F=0・输出电压为:9033PF广丹£=蟲^—杯如图3-2布料厚度0.05mm时仿真电（3）当假设极板间布料厚度为0.10mm时，此时电容为£()Sa+(—-l)xd8.85X10",2X9X10'41[8.85+(2?75-DxO.lOJxlO"3-11-/16

(3-3)(3-4)(3-5)=0.9065PF输出电压为-12-/16C15(3-6)«exE=^xiv=L654vu=如图:；XMMl；S1Au1•1vrms........................节丁----------0_A—O1.5pF—•I••••••••••・(•y100*H*z...........................................OFAMP_3T_VIRTUAL_3-3布料厚度为0.1mm时仿貞•电路（4）当假设极板间布料厚度为0.15mm时，仿真结果如下图（5）当假设极板间布料疗度为0.20mm时，仿真结果如下图1.5PF・・t\tVrms-v)100Hz「C2-Z＞：0：°::OFAMP3TVIRTUAL3-5布料厚度为0・2mm时仿貞•电路-13-/16（6）当假设极板间布料厚度为0.25mm时，仿真结果如下图・・S1A・XMM1V1-----0-------O-縫A:k*1Vrms*100Hz0^：：：：・OFAMP3TVIRTUAL3-6布料厚度为0.25mm时仿真电路（7）当假设极板间布料厚度为0.30mm时，仿真结果如下图3-7布料厚度为0.3mm时仿真电路以上就是我们截取一部分数据，我们会在第（8）步详细给出布料厚度及电压关系表（8）综合如上，我们组将0"2.Omm布料以0.05mm每组为单位分成40组，如下我们制成一个表格，将布料疗度及电压关系表示出来。表（3-1）布料厚度及电压关系布料厚度〔血）0.050.10.150.20.250.30.350.40.第0.5电容＜(pF)0.90330.90650.90980.91310.91650.91980.92320.92670.93010.9336输岀申压W1.661.6541.6481.6^21.6361.631.6241.6181.6121.606布料厚度〔血）0.550.60.65O.i0.750.80.850.90.951电容＜(pF)0.93710.94060.94410.94770.95130.95490.95860.96230.9560.9697输出日压®）1.61・宓1.5881.5821.5761.571.5641.5581.5521.546布料厚度1血）1.051.11.151.21.251.31.351.41.45.........1.5电容涓（&F）0.97350.97730.98110.9850.98890.99280.99681.00071.00481.0088输岀电压2）1.541.5341.5281.5221.5161.511.5041.4981.4921.486市料度（nun）1.551.61.651.T1.751.81.851.91.952电容®(PF)1.01291.01?L.02121.02531.02961.03381.03811.04241.04681.0512输岀电压@）1.381.4"1.3681.4521.45611.451.3441.4381.4321.426-14-/163.2仿真结果分析根据上面表(3-1),我们用Matlab绘制了厚度d及电压11关系图线如下:图3-8厚度d及电压u仿真图山表3・1及图3-8可知布料厚度d及输岀电圧u呈线性关系 由公式(1.3-2)和(2.2-3)得:计u养(3.2-1)(£厂1)C0E-1即：d=13.907-&344M7(3.2-2)由公式(3.2-2)知厚度d及输出电压u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根据厚度d和输出电压U关系，我们进行了模数转化，将厚度值通过数码-13-/16管显示出来。如图3・9所示，每次改变电容值C2时，数码管将显示其对应厚度值。-17-/16第四章对课程设计进行试验4.1实验过程山于该实验在实验室比较难实验，缺少一些必备元器件，所以我们没有进行实验，但是我们所用OPAMP运算放大器在实验室并不存在，所以一般会选用OP07运算放大器代替。4.2分析仿真及试验结果差异误差分析：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、消除和减少边缘效应（设计带保护环电容传感器）；2、提高设计结构绝缘性能；3、消除和减