電容傳感器測量紙張厚度..-(37987)

1、摘要本次課程設(shè)計(jì)主要講解電容式傳感器的使用中的一部 分，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。傳感器 是將能夠感受到的及規(guī)定的被測量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成 可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件 組成，其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測 量（輸入量）的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元 件感受的或響應(yīng)的被探測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測量的電信 號的部分。電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于位移、振動、角 度、加速度等機(jī)械量的精密測量而且還逐步地?cái)U(kuò)大應(yīng)用于 壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。根據(jù) 。=仝 可以把電容傳感器分為極距變化型電容傳感器、面O積變化型電容傳感器、介質(zhì)變

2、化型電容傳感器。根據(jù)實(shí)際 不同的需求，可以利用不同的電路來實(shí)現(xiàn)所需要的功能。電容式傳感器的特點(diǎn)：（1 1）小功率、高阻抗。電容傳 感器的電容量很小，一般為幾十到幾百微微法，因此具有 高阻抗輸出； （2 2）小的靜電引力和良好的動態(tài)特性。電容 傳感器極板間的靜電引力很小，工作時(shí)需要的作用能量極 小和它有很小的可動質(zhì)量，因而具有較高的固有頻率和良 好的動態(tài)響應(yīng)特性；（3 3）本身發(fā)熱影響小（4 4）可進(jìn)行非接 觸測量。布料厚度測量是基于變介電常數(shù)電容傳感器的一種精 密測量，它可以實(shí)現(xiàn)簡單的厚度測量，根據(jù)電容電路的特 性分析可以知道所測布料的厚度。關(guān)鍵詞：厚度測量裝置，電容傳感器，運(yùn)算放大電路，仿真

3、目錄第一章 對布料厚度測量裝置所做的調(diào)研.3 31.11.1厚度測量裝置在工業(yè)環(huán)境下的意義.3 31.21.2厚度測量裝置的研究現(xiàn)狀.3 3-章電容測厚裝1置2.12.1詳細(xì)介紹電容測 Q2.22.2設(shè)計(jì)匹配三早仿直/、設(shè)計(jì)3.13.1仿直/、電路的計(jì)整3.23.2仿 真 結(jié) 果 的 分析.1313第四章對課程設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn).15154.14.1實(shí)驗(yàn)過程.15154.24.2分析仿真與試驗(yàn)結(jié)果的差異.1515第五章設(shè)計(jì)體會. 1616簡述的設(shè)1.31.3第的紹6 6厚置路第析第一章對布料厚度測量裝置所做的調(diào)研1.11.1 厚度測量裝置在工業(yè)環(huán)境下的意義在現(xiàn)代高科技社會中，發(fā)展一些厚度測量裝置具有

4、非常 重大的意義，厚度測量裝置的使用將會大大的減少人力的 投入，更加方便快捷的得到高精度，高質(zhì)量的產(chǎn)品，此次 我們研究得課題是布料厚度的測量，我們很容易聯(lián)想到我 們身邊的各種絲質(zhì)，棉質(zhì)等布匹，但是如何在生產(chǎn)時(shí)得到 等厚度的布料呢。這里就會用到厚度測量裝置，運(yùn)用電容 式傳感器對布料厚度進(jìn)行測量，將會非常快捷，而且非常 準(zhǔn)確，后面我們將介紹一下電容式傳感器測量厚度的原理， 將它運(yùn)用于工業(yè)中我們能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題以及能夠及時(shí)進(jìn) 行對設(shè)備的修正，總之，厚度測量裝置是發(fā)展高新技術(shù)， 節(jié)省人力物力不可或缺的發(fā)明。1.21.2 厚度測量裝置的研究現(xiàn)狀因?yàn)槲覀兯榻B的主要是布料厚度的測量，所以我們 主要講解一下

5、非金屬厚度測量的應(yīng)用，經(jīng)過查閱資料知道，現(xiàn)如今各種傳感器的品種眾多，所以測量方式也不盡相同。目前，非金屬厚度的檢測大多數(shù)是以位移檢測為基礎(chǔ)的無 接觸測量，測量方法很多，視對象不同，常采用超聲，射 線，微波，電磁渦流等不同方法進(jìn)行測量。超聲反射法從 測量精度來說可滿足生產(chǎn)中的要求，但需要耦合劑，被測 厚度需要大于 2mm2mm 射線法需要放射源，存在需加防護(hù)措施，成本高等問題，推廣使用有一定的難度。渦流測厚可 在油污、塵埃、濕度、高溫惡劣的工業(yè)環(huán)境下長期工作， 但一般用于金屬厚度檢測，這些現(xiàn)狀對當(dāng)前非金屬測厚技 術(shù)提出了挑戰(zhàn)。我們考慮到利用電容式傳感器檢測非金屬 的厚度，因?yàn)槠湓O(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)、測

6、量精度可達(dá)2.5mm,2.5mm,所以方法具有可行性。1.31.3 進(jìn)行自己設(shè)計(jì)的整體思路電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，通過電容傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為物理量的 變化。因此電容式傳感器的基本工作原理可以用圖1-11-1 所示的平板電容器來說明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平板電容器 的電容為電極板平板電容器圖 1-11-1 平板電容器簡圖（1.3-11.3-1）式中：S S極板面積；-極板間距離;；o o 真空介電常數(shù)，；。=8.85=8.8510-12Fm-1；r r相對介電常數(shù)；;電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。當(dāng)極板面積 S S、極板間間距保持不變，而插入相對介 電常數(shù)為；r

7、r 的介質(zhì)，此時(shí)構(gòu)成的電容傳感器為變介電常數(shù) 電容傳感器，保持介電常數(shù)不變而改變介質(zhì)的厚度。如下圖所示：圖 1-21-2 裝置測厚簡圖C；oSC =-.d a - d -（1.3-21.3-2）式中: :S S測量電容的極板面積；a a測量電容的極板間距離； d d 插入電容的測量棉布的厚度；真空介電常數(shù)，o=8.85=8.8510-12Fm-1；棉布的相對介電常數(shù)；在實(shí)驗(yàn)過程中，我們將得到電壓與厚度的關(guān)系，然后 我們最后會用圖表的形式將這種關(guān)系表現(xiàn)出來，當(dāng)測量布 料厚度時(shí)，只需要測量出電壓值然后與圖表進(jìn)行比較就會 得到相應(yīng)的厚度值。第二章 電容測厚裝置的介紹2.12.1 詳細(xì)介紹電容測厚裝置

8、（1 1）相關(guān)器件介紹所需元件清單:1 1）信號發(fā)生器（1V1V 交流電源，頻率 100HZ100HZ）2 2）儀用放大器 OPAMOPAM 一個(gè)3 3）1.5PF1.5PF 電容一個(gè)4 4）自制 0.9PF0.9PF 電容一個(gè)5 5）電壓表個(gè) 0-10V0-10V6 6）開關(guān)一個(gè)7 7）布料：棉布（含化纖）表(2.1-12.1-1 )各種布料介電常數(shù)測試數(shù)據(jù)表樣品煥干13 C765V 21 C7820.5浚媼瞭干 布料團(tuán)un棉布（含化1. B9乙口2. 753. 070. 472信號發(fā)生器：信號發(fā)生器是一種能提供各種頻率、波 形和輸出電平電信號，常用作測試的信號源或激勵(lì)源的設(shè)備。利用信號發(fā)生

9、器可以后的測量電路所需要的100HZ100HZ、1V1V 的電壓。運(yùn)算放大器：可以對電信號進(jìn)行運(yùn)算，一般具有高增 益、高輸入阻抗和低輸出阻抗的放大器。利用放大器可以 對電信號進(jìn)行放大（2 2）自制電容參數(shù)：極板面積 9 9cm2，極板間距近似 a=8.85mm,a=8.85mm,網(wǎng)上查 詢資料得棉布的相對介電常數(shù)r=2.75=2.75，棉布厚度d=0d=02mm2mm 自制電容如下圖所示。圖 2-12-1 自制電容傳感器靈敏度：傳感器的靈敏度是指傳感器輸出的變化量與引 起該變化量的輸入的變化量之比即為其靜態(tài) 靈敏度。靈敏度表達(dá)式：（2.12.1 -1-1）對于線性傳感器，其靈敏度為常數(shù)，也就是

10、傳感器特 性曲線的斜率。對于非線性傳感器，靈敏度是變量，其表達(dá)式為：-dx（2.1-22.1-2）一般要求傳感器的靈敏度較高并在滿量程內(nèi)是常數(shù)為 佳，這就要求傳感器的輸出輸入特性為直線（線性） 自制電容的相對變化量：2.22.2 設(shè)計(jì)匹配電路實(shí)際試驗(yàn)中運(yùn)算放大器用OP07OP07 來接，并且在 OP07OP07 上面接一個(gè)很大的電阻，但是試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)由于電阻值的 改變會稍微影響一點(diǎn)輸出電壓值的變化，所以我們這里接 的是實(shí)際中并沒有的 OPAMOPAM 運(yùn)算放大器。我們設(shè)計(jì)的匹配 電路如下圖：(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為靈敏度因子和非顯性因子。(2.2-32.2-3 )即輸出電壓與布料的厚度成線性比例關(guān)系E CU Cx(2.2-12.2-1即)U C0E CxU弋E寧a (_)d（2.2-22.2-2）所以第三章仿真設(shè)計(jì)及分析3.13.1仿真電路的建立因?yàn)檩斎腚妷簽榻涣麟娫矗敵鲭妷簽榻涣麟妷旱挠?效值，則根據(jù)以上公式帶入測量參數(shù)得（1 1 ）當(dāng)電容極板間沒有放入棉布時(shí)，可以得到電容（3.1-13.1-1 ）此時(shí)電壓表輸出電壓為C1 5U0二也*E二151V = 1.666VCx00.9（3.1-23.1-2）如圖Cx0；oSa1248.85 109 108.85 10=

12、0.9PFOFAMP 3TVIRTUALS1A圖 3-13-1 無棉布放入時(shí)輸出電壓仿真結(jié)果（2 2）當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.05mm0.05mm 時(shí)，此時(shí)的電容為CSCx1 _1a (1)d；r1248.85x10 x9x101j38.85 - (1)0.05 102.758.85 9 1038.818= 0.9033PF（3-33-3）輸出電壓為:（3-43-4）如圖圖 3-23-2 布料厚度 0.05mm0.05mm 時(shí)仿真電路（3 3）當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.10mm0.10mm 時(shí)，此時(shí)的電容為0SCxiqa （一 -1） d；r-42-48.85 漢 10 漢 9 勺 0廠C1

13、 5U1- E1V = 1.661VCx10.9033S1A一VI -1 Vrm100 Hii殳賽二Z31.66V13F8.85（1）0.10 102.75=0.9065PF如圖:圖 3-33-3 布料厚度為 0.1mm0.1mm 時(shí)仿真電路(4(4)當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.15mm0.15mm 時(shí)，仿真結(jié)果如下(3-53-5 )輸出電壓為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萬用E S E 國小才】i i圖 3-43-4 布

14、料厚度為 0.15mm0.15mm 時(shí)仿真電路圖圖 3-53-5 布料厚度為 0.2mm0.2mm 時(shí)仿真電路(6 6)當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.25mm0.25mm 時(shí)，仿真結(jié)果如下圖圖 3-73-7 布料厚度為 0.3mm0.3mm 時(shí)仿真電路以上就是我們截取的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，我們會在第(8 8)步詳細(xì)給出布料厚度與電壓關(guān)系表(8(8)綜合如上，我們組將0 02.0mm2.0mm 的布料以 0.05mm0.05mm 每組S1A:V1L鍵=AAMP 3T VIRTUALC2XMM1F FP P5 5C CX 1; Vrms JHOO Hz- AOF AMP 3T VIRTUALCiTl-I.Sp

15、F100 +x-圖 3-63-6 布料厚度為 0.25mm0.25mm 時(shí)仿真電路(7(7)當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.30mm0.30mm 時(shí)，仿真結(jié)果如下為單位分成 4040 組，如下我們制成一個(gè)表格， 將布料厚度與 電壓關(guān)系表示出來 表（3-13-1 ）布料厚度與電壓關(guān)系布料 IB底 （mm16 050.1)35|20. 250.30+ 350.40. 450.5電容值怎町0. 90330.9065 0. 90980. 91310. 91650. 91980. 2320. 92670.93010. 9336輸出電圧 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輸岀電壓（V）1.61.5941.5S81. 5821.576571.5641.5581.5521.546布料厚度（mm）1.051.11. 151. 5i.q1.451.5電容值（pF）0. 97350. 97730+58110, 9850. 98890,99280. 99681.

17、0007 1. 00481. 0088輸出由壓1.541.5341.F281.5221.5161.511. 504L4981.4921. 4S6布料厚應(yīng)（頑）1,551.61,71.751.81.E51.91.952電容值（rf）1. 01291.0171. 02121. 02531. 02961. 03381. 03811. 0424 1.04&31. 0512輸出電壓（V）1,431,. 4741+4闘1.462145&L451,444L4331. 432L 4263.23.2 仿真結(jié)果的分析根據(jù)上面的表（3-13-1），我們用 MatlabMatlab 繪制了厚度 d d

18、 與 電壓 u u的關(guān)系圖線如下：圖 3-83-8 厚度 d d 與電壓 u u 的仿真圖由表 3-13-1 及圖 3-83-8 可知布料厚度 d d 與輸出電壓 u u 呈線性關(guān) 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 與輸出電壓 u u 的理論值也為線性關(guān) 系。根據(jù)上述線性關(guān)系，我們用模數(shù)轉(zhuǎn)換元件，譯碼器， 以及數(shù)碼管將厚度 d d 用數(shù)字顯示出來，其中電路圖如下:圖 3-93-9 仿真電路的結(jié)果根據(jù)厚

19、度 d d 和輸出電壓 u u 的關(guān)系，我們進(jìn)行了模數(shù)轉(zhuǎn)化，將厚度值通過數(shù)碼管顯示出來。如圖3-93-9 所示，每次改變電容值 C2C2 時(shí)，數(shù)碼管將顯示其對應(yīng)的厚度值。第四章對課程設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)4.14.1 實(shí)驗(yàn)過程由于該實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室比較難實(shí)驗(yàn)，缺少一些必備的元器件，所以我們沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是我們所用的OPAMOPAM 運(yùn)算放大器在實(shí)驗(yàn)室并不存在， 所以一般會選用OP0OP07 7運(yùn)算放 大器代替。4.24.2 分析仿真與試驗(yàn)結(jié)果的差異誤差分析：由于沒有進(jìn)行實(shí)際電路操作，故沒有辦法 進(jìn)行誤差分析。不過下面我們可以采用這些來消除誤差：1 1、消除和減少邊緣效應(yīng)（設(shè)計(jì)帶保護(hù)環(huán)的電容傳感器）；2 2、提高設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的絕緣性能；3 3、消除和減少寄生電容的影響1增加傳感器的原始電容