傳感器課程設(shè)計(jì)電容傳感器

1、燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書題目： 電容式紙張厚度傳感器的設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 年級專業(yè)： 09級儀表一班 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 童凱 教師職稱： 副教授 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書院（系）： 基層教學(xué)單位： 學(xué) 號090103020014學(xué)生姓名陳志浦專業(yè)（班級）09儀表一班設(shè)計(jì)題目電容式紙張厚度傳感器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)1測量范圍0-2mm；2輸出電壓0-10V；3極板間距4mm；4靈敏度；5精度。設(shè)計(jì)要求1學(xué)習(xí)掌握電容傳感器的相關(guān)知識；2設(shè)計(jì)電容厚度傳感器的極板；3設(shè)計(jì)電容傳感器的轉(zhuǎn)換電路；4電容厚度傳感器的硬件調(diào)試；5撰寫報(bào)告、完成答辯。工作量第18-1

2、9周（完成資料查閱、方案設(shè)計(jì)、電路仿真、硬件調(diào)試、測試及誤差分析等內(nèi)容）工作計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)間共10天。第1-2天 資料查閱（圖書館及網(wǎng)絡(luò)）；理論工作原理學(xué)習(xí)。第3-4天 設(shè)計(jì)方案制定。第5-6天 電路仿真，各器件選型。第7-8天 傳感器硬件調(diào)試。第9-10天 撰寫報(bào)告，完成答辯。參考資料張玉龍等。傳感器電路設(shè)計(jì)手冊。中國計(jì)量出版社。1989年指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。年 月 日 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)評審意見表指導(dǎo)教師評語：成績： 指導(dǎo)教師： 2011年 6月 25 日答辯小組評語： 成績： 評閱人： 2011年 6月 25 日課程設(shè)計(jì)

3、總成績：答辯小組成員簽字： 趙彥濤、程淑紅、林洪斌2011年 6月 25 日摘要第一章 緒論。介紹測厚傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展概況及本課題研究的背景、目的和研究的主要內(nèi)容。第二章 電容傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從電容傳感器的基本工作原理出發(fā)，分析其用于測厚方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合有限元分析軟件及電容精確計(jì)算公式對傳感器的邊緣效應(yīng)做深入研究，對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出具有新型結(jié)構(gòu)的電容傳感器。第三章 基于電容傳感器的測厚系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。對測厚系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案做詳細(xì)闡述，分析電容傳感器的等效電路，估算出合適的工作頻率范圍，并對檢測電路的各組成部分分別進(jìn)行說明和設(shè)計(jì)。第四章 虛擬儀器技術(shù)在電容測厚系統(tǒng)中的應(yīng)

4、用。根據(jù)虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用及特點(diǎn)，選用LABVIEW 作為開發(fā)平臺，在相應(yīng)的硬件基礎(chǔ)之上，完成數(shù)據(jù)采集，虛擬儀器面板開發(fā)及用戶應(yīng)用程序的創(chuàng)建。第五章 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析。通過樣機(jī)空載及云母紙測厚實(shí)驗(yàn)，得到樣機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)，并對測量誤差進(jìn)行分析。第六章 全文總結(jié)及展望。對虛擬電容測厚系統(tǒng)的研制工作進(jìn)行總結(jié)，針對不足提出一些設(shè)想。2 電容傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 電容傳感器的工作原理及類型 電容傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。實(shí)際上，它本身（或和被測物）就是一個具有可變參數(shù)的電容器。在大多數(shù)場合，電容器由兩平行極板以及中間的電介質(zhì)組成，當(dāng)不考慮邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量為（2-1）式中

5、，C：兩極板間的電容（F）； ：真空介電常數(shù)，為8.854×10-12（F/m），空氣的介電常數(shù)與真空近似； ：極板之間介質(zhì)的相對介電常數(shù)； s：極板的有效面積（m2）； d：兩極板間距（m）。 當(dāng)被測量的變化能使式中d，S 或 發(fā)生變化時(shí)，電容量C 也就隨之改變，再通過一定的測量電路將其轉(zhuǎn)化為電壓、電流或頻率等電信號輸出，即可根據(jù)輸出的電信號判定被測物理量的大小，這也是電容傳感器的基本工作原理。 實(shí)際應(yīng)用中，常使d、S、 中的兩個參數(shù)保持不變，而改變其中一個來使電容發(fā)生變化。于是，電容傳感器根據(jù)參數(shù)變化的不同，分為三種基本類型，即改變極距型，改變面積型和改變介質(zhì)型。1改變極距型電容

6、傳感器 改變極距型電容傳感器適用于測量微小的線位移，圖2-1 為這種類型的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)可動極板隨被測量變化而上下移動時(shí)，兩極板間距變化，從而改變了電容量。若間距減小d，則電容增量為 電容相對增量為 可見，輸出電容的相對變化與輸入位移變化是非線性關(guān)系。為了減小非線性，提高靈敏度，一般采用差動式結(jié)構(gòu)。2改變面積型電容傳感器 改變面積型電容傳感器適用于測量角位移或較大的線位移，圖2-2 是這種類型的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中，1 均為固定極板，2 為動極板。 圖2-2（a）是線位移式，設(shè)兩極板間初始遮蓋面積為s0(s0=ab)，當(dāng)其中一個極板沿水平方向移動x 時(shí)，極板有效面積就發(fā)生變化，則電容量變化為圖2-

7、2（b）是角位移式，設(shè)初始時(shí)兩極板遮蓋角度為（相對角位移為0），遮蓋面積為s，當(dāng)其中一個極板轉(zhuǎn)動角時(shí)，則極板間的電容量變化為由式（2-4）和式（2-5）很容易看出，改變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度為常數(shù)。3改變介質(zhì)型電容傳感器改變介質(zhì)型電容傳感器用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)的變化來測量溫度、濕度、容量等。這種變介質(zhì)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)形式很多，圖2-3 為檢測電介質(zhì)厚度的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中待測物的厚度為x，相對介電常數(shù)為 。如果極板間的其它介質(zhì)是介電常數(shù)為 的空氣，此時(shí)總的電容量可寫為若厚度變化x，則電容變化Cx，那么可以推導(dǎo)得到電容相對變化量為 其中

8、， 式（2-7）與式（2-3）的形式相同，只是多了一個隨(d x) x 變化而變化的系數(shù)Nx， (d x) x 越小，則Nx 越大，傳感器的靈敏度也愈大，但非線性越嚴(yán)重。由式（2-6）可見，當(dāng)傳感器面積s 和間距d 一定， x 也不變時(shí)，電容只隨電介質(zhì)厚度x 變化而變化，且x 與電容的倒數(shù)成線性關(guān)系。若經(jīng)過一定的測量電路，將電容變化量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流等電量變化，獲得x 與電量之間的關(guān)系，電介質(zhì)厚度的測量就可以實(shí)現(xiàn)了。2.2 電容傳感器在測厚方面的優(yōu)缺點(diǎn)分析 電容傳感器是用于非電量測量的三種經(jīng)典式傳感器之一，它用于介質(zhì)厚度的測量時(shí)，具有如下優(yōu)點(diǎn):1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單?？梢圆挥糜袡C(jī)材料和磁

9、性材料構(gòu)成，能經(jīng)受相當(dāng)大的 溫度變化及各種輻射作用，因而可以在溫度較高，有各種輻射等惡劣 環(huán)境下工作。2. 易于實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。 以極板間的電場力代替了測量頭與被測物的 表面接觸，由于電場力極其微弱，不會產(chǎn)生遲滯和變形，消除了接觸 式測量由于表面應(yīng)力給測量帶來的不利影響。3. 動態(tài)響應(yīng)速度快。系統(tǒng)固有頻率高，可以直接用于某些生產(chǎn)線上的動 態(tài)測量。4. 靈敏度高。如果再采用現(xiàn)代化精密測量方法，就能測量電容紙的的 變化量。又因?yàn)闃O間的電磁吸引力十分微小，輸入能量低，從而保證 了比較高的測量精度。 然而，電容傳感器也有其自身的缺點(diǎn)，所以它的使用受到一定限制，主要原因有：1. 輸出阻抗高，負(fù)載能力差

10、。電容量受電極的幾何尺寸等限制，一般為 幾個皮法到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，易受外界干擾而產(chǎn) 生不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須采取屏蔽等措施。2. 寄生電容影響大。因?yàn)閭鞲衅鞯某跏茧娙萘啃。娮泳€路的雜散電 容、引線電纜電容以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等所謂 “寄生電容”卻較大，影響測量精度和靈敏度。所以在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 以及檢測電路中都應(yīng)采取相應(yīng)措施給予減少或消除。3. 量程較小。由于傳感器是依靠極板之間的間隙進(jìn)行工作的，而間隙不 可能做得太大，則量程受到限制。在測量電介質(zhì)厚度時(shí)，需要根據(jù)實(shí) 際情況恰當(dāng)選取極板的間距。4. 邊緣效應(yīng)的影響。前面一些公式的推導(dǎo)都是在假設(shè)極板面積

11、無限大而 忽略邊緣效應(yīng)的情況下給出的，實(shí)際上極板面積不可能無限大，邊緣 效應(yīng)會使傳感器靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因而邊緣效應(yīng)是設(shè)計(jì)電 容傳感器時(shí)不容忽視的一個重要因素。下面將對邊緣效應(yīng)做進(jìn)一步討 論。2.3 電容傳感器的邊緣效應(yīng)研究 電容傳感器的邊緣效應(yīng)是指兩平行金屬極板的面積不是無限大時(shí)，邊緣會存在發(fā)散電場，該發(fā)散電場形成附加電容，則實(shí)際電容量大于式（2-1）的計(jì)算值。為能找到減小或消除邊緣效應(yīng)的方法，本文通過查閱資料，最后提出減少邊緣效應(yīng)的幾項(xiàng)措施。 （1） 由邊緣效應(yīng)所形成的附加電容量相當(dāng)大，不能忽略；（2） 隨著兩極板間的距離d 增大，C/C0 明顯增加，即誤差隨極板間 距的增加而顯著

12、增大；（3） 極板厚度h 減小時(shí)，C/C0 減小，但沒有極板間距改變引起的變 化明顯。綜上所述，對電容傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到邊緣效應(yīng)的影響，根據(jù)以上分析，為減少邊緣效應(yīng)的影響，提高測量精度，在設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)： 1. 在傳感器體積大小允許的情況下，盡量增大傳感器的有效面積，即增 大半徑。2. 測量介質(zhì)厚度時(shí)，盡量減少極板間距；間距一定時(shí)，在加工工藝允許 前提下將極板做得盡量薄，可以采用涂敷式技術(shù)，但成本會相應(yīng)增加。3 基于電容傳感器的測厚系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換電路 電容傳感器中電容值以及電容變化量都十分微小，不便于傳輸或顯示，必須借助于轉(zhuǎn)換電路將被測量引起的電容變化轉(zhuǎn)換成與

13、其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。目前，常用的方法歸納起來主要有20-25：調(diào)頻法、充放電法（包括雙T型二極管交流電橋電路、脈沖寬度調(diào)制電路）、調(diào)幅法（包括電橋電路、運(yùn)算放大器式電路）。 下面簡要分析并比較各種電路的工作原理和應(yīng)用情況，確定本文測厚系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換電路。 1調(diào)頻法調(diào)頻法測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器的振蕩頻率隨電容量的變化而變化。這種電路雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，需加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，然后經(jīng)過放大用儀器指示或記錄儀記錄下來。調(diào)頻測量電路原理框圖如圖3-1所示。圖3-1 調(diào)頻測量電路原理框圖

14、 圖3-1中，L為振蕩回路的電感；C為振蕩回路的總電容，包括振蕩回路的固有電容C1，傳感器引線分布電容C2，以及傳感器電容C0±C。調(diào)諧振蕩器的振蕩頻率f為 這種電路靈敏度高，頻率輸出易于數(shù)字化處理，但需采取穩(wěn)頻措施以及寬帶高精度電路配合，輸出非線性也較大，實(shí)際電路比圖3-1復(fù)雜，分布電容難以消除，不適于變間距式或檢測薄型非金屬材料厚度的高精度電容傳感器的設(shè)計(jì)。2充放電法 利用電容充放電原理組成的轉(zhuǎn)換電路，主要包括雙T二極管交流電橋電路以及脈沖寬度調(diào)制電路。 圖3-5為雙T二極管交流電橋電路的原理圖。其中，Ùi表示幅值為Ui，頻率為f的對稱方波的高頻電源電壓，D1和D2為兩

15、只特性相同的理想二極管，固定電阻R1=R2=R，C1和C2為差動電容傳感器的電容，Rf為負(fù)載電阻(或儀器儀表的輸入電阻)。 這種交流電橋電路輸出電壓高，1千歐負(fù)載電阻信號上升時(shí)間為20s左右，能應(yīng)用于高速機(jī)械量的測量。但電源的幅度、頻率都需要穩(wěn)定，且用于非金屬材料厚度測量時(shí)，非線性誤差大，分布電容也無法消除。 圖3-2 雙T二極管交流電橋電路 圖3-3 脈沖寬度調(diào)制電路圖3-3為脈沖寬度調(diào)制電路。該電路由比較器A1、A2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。Ur為比較器的參考電壓，C1、C2為傳感器的差動電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端用作線路輸出。 這種脈沖寬度調(diào)制電路，只需要電壓穩(wěn)定度較高的直

16、流電源，比其他測量電路中需要高穩(wěn)定度交流電源易于實(shí)現(xiàn)；不需附加解調(diào)器，只要經(jīng)低通濾波器就能獲得直流輸出。但不論對于改變面積型或變間距型，只有連接成差動形式，變化量與輸出量才成線性關(guān)系，且由于結(jié)構(gòu)本身特性的限制，很難做到較高的靈敏度。3調(diào)幅法 調(diào)幅法轉(zhuǎn)換電路主要有電橋電路和運(yùn)算放大器式電路。 電橋電路是將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個臂（另一個臂為固定電容）或兩個相鄰臂，另外兩個臂可以是電阻，也可以是變壓器的兩個二次線圈。當(dāng)傳感器是差動情況下，可以得到輸出與輸入的線性關(guān)系，但在單電容情況下不成線性關(guān)系，其電路圖略。圖3-4 電容運(yùn)算放大器式電路原理圖 運(yùn)算放大器式電路原理圖如圖3-7 所示

17、。Cs 為標(biāo)準(zhǔn)耦合電容，Cx 為傳感器電容，輸入的交流電源電壓用表示，輸出的調(diào)幅電壓信號用表示。由運(yùn)算放大器的工作原理可知，在開環(huán)放大倍數(shù)A 和輸入阻抗較大的理想情況下式中“”號表示輸出電壓與輸入電壓的相位相反，若傳感器之間電介質(zhì)為空氣，則C =s /d ，代入上式取有效值得這樣，通過反饋運(yùn)算方法，將Cxd 的非線性關(guān)系，變成了U0d 的線性關(guān)系。本文2.1 節(jié)已經(jīng)介紹了變介質(zhì)型電容傳感器用于檢測電介質(zhì)厚度的基本原理。當(dāng)傳感器兩極板間放入被測物的厚度為x 時(shí)，傳感器電容 其中d 為兩極板間距，s 為極板面積, 為被測物相對介電常數(shù)。代入式（3-6）整理后得到由此可知，運(yùn)算放大器式調(diào)幅電路從原理上克服了電容傳感器用于薄型非金屬材料厚度測量時(shí)的非線性缺點(diǎn)，且電路結(jié)構(gòu)簡單。基本的運(yùn)算放大電路的缺點(diǎn)是，其輸出電壓初始值不為零，所以本文綜合以上各種電路的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種可調(diào)零