電容式稱重傳感器課程設(shè)計

1、東北石油大學(xué)課 程 設(shè) 計課 程 傳感器課程設(shè)計 題 目 電容式重量傳感器設(shè)計 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 2012年6 月 25任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計題目 電容式重量傳感器應(yīng)用電路設(shè)計專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容：電容式重量傳感器：設(shè)計的傳感器根據(jù)受壓不同，輸出信號不同。本設(shè)計要求完成重量傳感器的設(shè)計，采用電容式設(shè)計電路。電容式稱重傳感器的原理：電容式稱重傳感器是把被稱物體重量轉(zhuǎn)換為電容容量變化的一種傳感器。通常為差動變間距電容式稱重傳感器，采用調(diào)頻電路，實際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。基本要求：1、按照技術(shù)要求，設(shè)想不同的設(shè)計方案

2、并進(jìn)行比較。2、利用電容的特性設(shè)計出一種稱重的應(yīng)用電路。3、說明所用傳感器的基本工作原理、畫出應(yīng)用電路電路圖。主要參考資料：1 黃賢武.傳感器原理與應(yīng)用M.北京：高等教育出版社，2004.38-50.2 李剛，林凌.現(xiàn)代測控電路M.北京:高等教育出版社，2004.50-62.3孟立凡，鄭賓.傳感器原理與技術(shù)M.北京：國防工業(yè)出版社，2005.68-83.4 沙占友.集成傳感器應(yīng)用M.北京：中國電力出版社，2005.125-144.完成期限 2012.6.252012.6.29 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2012年 6 月 25 日摘 要電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身

3、就是一種可變電容器，由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，體積小，動態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨率高，能實現(xiàn)非接觸測量等特點，因而被廣泛應(yīng)用于位移、加速度、振動、壓力、壓差、液位、檢測領(lǐng)域。此文就以電容式重量傳感器來研究。本文介紹了電容式重量傳感器的結(jié)構(gòu)，以及其測量電路，分析電容稱重傳感器的特性和相關(guān)參數(shù)選取，通過一系列的資料查詢所得結(jié)果表明該電容式重量傳感器具有很好的穩(wěn)定性、重復(fù)性和無滯后性，具有一定的實用價值。關(guān)鍵詞：電容式傳感器；稱重；差動；放大；目 錄一 、設(shè)計要求及用途1二、方案設(shè)計1方案一：電阻應(yīng)變式稱重傳感器1方案二：電感式稱重傳感器2方案三：電容式重量傳感器2三、電容式傳感器工作原

4、理2四、電路的工作原理3五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇31、單元電路設(shè)計32、器件選擇43、元器件清單5六、總結(jié)6電容式重量傳感器設(shè)計一 、設(shè)計要求及用途設(shè)計的電容式重量傳感器電路，當(dāng)被稱重物差動改變電容的間距而使電容發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)變化，在鑒頻器上變換為振幅的變化，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成一個直流的高電平信號輸出，在稱重儀表顯示。要求設(shè)計的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)非接觸測量，適應(yīng)性強，體積小，靈敏度高，分辨率高等特點。重量傳感器主要應(yīng)用在各種電子衡器、工業(yè)控制領(lǐng)域、在線控制、安全過載報警、材料試驗機等領(lǐng)域。如電子汽車衡、電子臺秤、電子叉車、動態(tài)軸重秤、電子吊鉤秤、電子計價秤、

5、電子鋼材秤、電子軌道衡、料斗秤、配料秤、罐裝秤等。二、方案設(shè)計目前稱重傳感器的敏感元件的類型主要有應(yīng)變片、電容、電感等。針對敏感元件的不同可以將稱重傳感器的設(shè)計分為下面三種不同的設(shè)計方案：方案一：電阻應(yīng)變式稱重傳感器電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。公式電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點是精度高，測量范圍廣壽命長,結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下

6、工作，易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。它的缺點是對于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號較弱。圖1 應(yīng)變式稱重原理框圖方案二：電感式稱重傳感器在電感式壓力傳感器中，首先用彈性元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的位移，再用電學(xué)的方法將位移轉(zhuǎn)換成自感或互感系數(shù)的變化，最后由測量電路轉(zhuǎn)換成與被測壓力成正比的電流或電壓輸出。電感式壓力傳感器的工作原理是由于磁性材料和磁導(dǎo)率不同，當(dāng)壓力作用于膜片時，氣隙大小發(fā)生改變，氣隙的改變影響線圈電感的變化，處理電路可以把這個電感的變化轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的信號輸出，從而達(dá)到測量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路變化可以分為兩種:變磁阻和變磁導(dǎo)。電感式壓力傳感器的優(yōu)點在于靈敏度高、測

7、量范圍大；缺點就是不能應(yīng)用于高頻動態(tài)環(huán)境。 圖2 電感式稱重原理框圖方案三：電容式重量傳感器電容式傳感器是按照兩塊平行極板之間的極距、面積或介質(zhì)的變化引起相應(yīng)的電容的變化這一原理來稱重的。電容式稱重傳感器主要是基于外加載荷改變電容平行極板的間隙來改變電容這一原理上的，在通過測量電路將電容的變化轉(zhuǎn)換成頻率量。電容式稱重傳感器有著自己獨特的優(yōu)點：能耗低，結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)力強，電路簡單，輸出數(shù)字信號，簡化了二次儀表的開發(fā)，體積小，重量輕。同時也存在著一些缺點，本身工作電容較低，寄生電容有時大于工作電容，抗干擾能力差。近來科技的發(fā)展，使得電容傳感器能與放大電路、振蕩電路做在一起，減少了干擾和分布電容

8、對之的影響，精度有所提高，使電容器愈來愈受到人們的關(guān)注。圖3 電容式稱重原理框圖三、電容式傳感器工作原理 電容式稱重傳感器的原理：電容式稱重傳感器是把被稱物體重量轉(zhuǎn)換為電容容量變化的一種傳感器。通常為差動變間距電容式稱重傳感器，采用調(diào)頻電路，實際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。當(dāng)被稱重物差動改變電容的間距而使電容發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)變化，在鑒頻器上變換為電壓振幅的變化，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成一個直流的高電平信號輸出，在稱重儀表顯示。這時，可以通過電壓的變化測出相應(yīng)的重量。四、電路的工作原理圖4 電容式稱重傳感器原理圖電容式稱重傳感器是把被稱物體重量轉(zhuǎn)換為電容容量變化的一種傳感器。通常為差

9、動變間距電容式稱重傳感器，采用調(diào)頻電路，實際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。若Cx1=Cx2,因兩電容上疊加的交流電壓值相等但相位相反，則U0=0。若Cx1Cx2，因兩電容上疊加的交流電壓值不等相位相反，則U00，即橋路有輸出電壓。當(dāng)被稱重物差動改變電容的間距而使電容量發(fā)生變化時，R1前的電壓變化，經(jīng)過有A1構(gòu)成的濾波器后，由A2和R3，R4，Rf構(gòu)成的運算放大器進(jìn)行放大，從而得到一個可用輸出信號，根據(jù)輸出電壓的大小，可以計算出電容的變化量，進(jìn)而測出所受重量。五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設(shè)計（1）電容傳感器轉(zhuǎn)換電路圖5 轉(zhuǎn)換電路圖中Cx為電容傳感器，差動接法時，若Cx1=C

10、x2,因兩電容上疊加的交流電壓值相等但相位相反，則U0=0。當(dāng)受到重量作用時，電容的極距會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致Cx1Cx2，因兩電容上疊加的交流電壓值不等相位相反，則U00，即電路有輸出電壓。通過這種方法，可以將受力導(dǎo)致的電容的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓量的變化。（2）濾波電路圖6 濾波電路電路所示是一個反相輸入的一階低通濾波器，濾波電路盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。(3)運算放大電路圖7 運算放大電路圖中所示的是一個反相的運算放大電路，其作用主要是要將原輸出信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅员愀玫臏y量。電路的放大倍數(shù)為-Rf/R1，選擇適當(dāng)?shù)碾?/p>

11、阻，即可得到想要的放大倍數(shù)。2、器件選擇Rl-R4選用1/4W金屬膜電阻器或碳膜電阻器。Rf1和Rf2選用超小型合成碳膜電位器或可變電阻器。Cx1、Cx2均選用耐壓值為l6V的鋁電解電容器，C選用高頻瓷介電容器或玻璃釉電容器。變壓器和可變電容器Cx1、Cx2構(gòu)成電容傳感器轉(zhuǎn)換電路，將電容的改變值轉(zhuǎn)換為電壓值。R1、R2、Rf1、A1與C構(gòu)成一階低通濾波器。R4、R3、Rf2與A2構(gòu)成運算放大器。3、元器件清單表1元器件清單編號名稱型號數(shù)量Cx1可變電容1220 u/10V 1Cx2可變電容2220 u/10V 1C電解電容0.01 u 1R1 固定電阻1680 1R2 固定電阻2680 1R3

12、 固定電阻3680 1R4 固定電阻4680 1Rf1 可調(diào)電阻1200K 1Rf2 可調(diào)電阻2200K 1六、總結(jié)隨著技術(shù)的進(jìn)步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè),實現(xiàn)了對物料的快速、正確的稱量，特別是隨著微處理機的出現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度化的不斷進(jìn)步，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必須的裝置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計測以及吊車秤、汽車秤等計測控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝中的自動檢測和粉粒體進(jìn)料量控制等，都應(yīng)用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領(lǐng)域。雖說電容式傳感器有些缺點，例如輸出具有非線性，寄生電容的影響往往降低傳感器的

13、靈敏度等。但是它的優(yōu)點更為明顯：功率小、阻抗高；靜電引力小、動態(tài)特性良好；和電阻式傳感器相比，電容式傳感器本身發(fā)熱影響??；可進(jìn)行非接觸測量；結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，可以在溫度變化比較大或具有各種輻射的惡劣環(huán)境中工作，因此電容式傳感器具有很好的應(yīng)用前景。在這次設(shè)計過程中，我查閱了好多資料，解決電容式測重的設(shè)計要求，在將電容的變化量轉(zhuǎn)換為頻率變化和頻率/電壓轉(zhuǎn)換的過程中遇到了很大的困難，自己所學(xué)的知識不能解決這個問題，后來通過翻閱相關(guān)知識，才解決了這些問題。雖說這個課程對自己來說有些難度，但是通過它，我提高了自己自學(xué)的能力，了解了一些原來沒有接觸過的知識，收獲還是挺大的。參考文獻(xiàn)1 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用M.北京：高等教育出版社，2004.38-50.2 李剛，林凌.現(xiàn)代測控電路M.北京：高等教育出版社，2004.50-62.3 張洪潤.傳感器技術(shù)大全M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.4 沙占友.集