電容傳感器測(cè)量紙張厚度

1、燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(cè)量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量（輸入量）的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺艿幕蝽憫?yīng)的被探測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)的部分。電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密測(cè)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(cè)量。根據(jù)可以把電容傳感器分為極距變化型電容傳感器、面積變化型電容傳感器、介質(zhì)變化型電容

2、傳感器。根據(jù)實(shí)際不同的需求，可以利用不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的功能。電容式傳感器的特點(diǎn)：（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）小的靜電引力和良好的動(dòng)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(dòng)質(zhì)量，因而具有較高的固有頻率和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；（3）本身發(fā)熱影響?。?）可進(jìn)行非接觸測(cè)量。布料厚度測(cè)量是基于變介電常數(shù)電容傳感器的一種精密測(cè)量，它可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的厚度測(cè)量，根據(jù)電容電路的特性分析可以知道所測(cè)布料的厚度。關(guān)鍵詞：厚度測(cè)量裝置，電容傳感器，運(yùn)算放大電路，仿真目錄第一章 對(duì)布料厚度測(cè)量裝置所做的調(diào)研&#

3、183;·····························3 1.1厚度測(cè)量裝置在工業(yè)環(huán)境下的意義·················

4、···········3 1.2 厚度測(cè)量裝置的研究現(xiàn)狀····································3

5、1.3 簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)的整體思路········································4第二章 電容測(cè)厚裝置的介紹·····

6、83;···································6 2.1 詳細(xì)介紹電容測(cè)厚裝置············

7、;··························62.2設(shè)計(jì)匹配電路······················&

8、#183;························8第三章 仿真設(shè)計(jì)及分析·······················&

9、#183;····················9 3.1 仿真電路的建立···························

10、·················93.2 仿真結(jié)果的分析·······························

11、············13第四章 對(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)···································

12、83;····15 4.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程···········································

13、3;·····154.2 分析仿真與試驗(yàn)結(jié)果的差異·································15第五章 設(shè)計(jì)體會(huì)·······

14、···········································16第一章 對(duì)布料厚度測(cè)量裝置所做的調(diào)研1.1厚度測(cè)量裝置在工業(yè)環(huán)境下的意義在現(xiàn)代高

15、科技社會(huì)中，發(fā)展一些厚度測(cè)量裝置具有非常重大的意義，厚度測(cè)量裝置的使用將會(huì)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(cè)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(huì)用到厚度測(cè)量裝置，運(yùn)用電容式傳感器對(duì)布料厚度進(jìn)行測(cè)量，將會(huì)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(cè)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(wèn)題以及能夠及時(shí)進(jìn)行對(duì)設(shè)備的修正，總之，厚度測(cè)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。1.2 厚度測(cè)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(cè)量，所以我們主

16、要講解一下非金屬厚度測(cè)量的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)查閱資料知道，現(xiàn)如今各種傳感器的品種眾多，所以測(cè)量方式也不盡相同。目前，非金屬厚度的檢測(cè)大多數(shù)是以位移檢測(cè)為基礎(chǔ)的無(wú)接觸測(cè)量，測(cè)量方法很多，視對(duì)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(cè)量。超聲反射法從測(cè)量精度來(lái)說(shuō)可滿足生產(chǎn)中的要求，但需要耦合劑，被測(cè)厚度需要大于2mm。射線法需要放射源，存在需加防護(hù)措施，成本高等問(wèn)題，推廣使用有一定的難度。渦流測(cè)厚可在油污、塵埃、濕度、高溫惡劣的工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期工作，但一般用于金屬厚度檢測(cè)，這些現(xiàn)狀對(duì)當(dāng)前非金屬測(cè)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(cè)非金屬的厚度，因?yàn)槠湓O(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、測(cè)量精度可達(dá)2.

17、5mm，所以方法具有可行性。1.3 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(lèi)型的電容器作為傳感元件，通過(guò)電容傳感元件，將被測(cè)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1-1所示的平板電容器來(lái)說(shuō)明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平板電容器的電容為圖1-1 平板電容器簡(jiǎn)圖 （1.3-1）式中：S極板面積； 極板間距離； 真空介電常數(shù)， =8.85； 相對(duì)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、極板間間距保持不變，而插入相對(duì)介電常數(shù)為的介質(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1-2 裝置測(cè)厚簡(jiǎn)圖 （1.3-2

18、）式中:S測(cè)量電容的極板面積； a測(cè)量電容的極板間距離； d插入電容的測(cè)量棉布的厚度； 真空介電常數(shù)， =8.85； 棉布的相對(duì)介電常數(shù)； 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們將得到電壓與厚度的關(guān)系，然后我們最后會(huì)用圖表的形式將這種關(guān)系表現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)測(cè)量布料厚度時(shí)，只需要測(cè)量出電壓值然后與圖表進(jìn)行比較就會(huì)得到相應(yīng)的厚度值。第二章 電容測(cè)厚裝置的介紹2.1 詳細(xì)介紹電容測(cè)厚裝置（1）相關(guān)器件介紹所需元件清單：1）信號(hào)發(fā)生器（1V交流電源，頻率100HZ） 2）儀用放大器OPAMP一個(gè) 3）1.5PF電容一個(gè) 4）自制0.9PF電容一個(gè) 5）電壓表一個(gè)0-10V 6）開(kāi)關(guān)一個(gè) 7）布料：棉布（含化纖）表（2.1-1）

19、 各種布料介電常數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)表信號(hào)發(fā)生器：信號(hào)發(fā)生器是一種能提供各種頻率、波形和輸出電平電信號(hào)，常用作測(cè)試的信號(hào)源或激勵(lì)源的設(shè)備。利用信號(hào)發(fā)生器可以后的測(cè)量電路所需要的100HZ、1V的電壓。運(yùn)算放大器：可以對(duì)電信號(hào)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(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大（2）自制電容參數(shù): 極板面積9，極板間距近似a=8.85mm，網(wǎng)上查詢資料得棉布的相對(duì)介電常數(shù)=2.75，棉布厚度 d=02mm，自制電容如下圖所示。 圖2-1 自制電容傳感器靈敏度：傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵龅淖兓颗c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： （2.1-

20、1）對(duì)于線性傳感器，其靈敏度為常數(shù)，也就是傳感器特性曲線的斜率。對(duì)于非線性傳感器，靈敏度是變量，其表達(dá)式為 ： （2.1-2）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(duì)變化量： （2.1-3）式中：，為靈敏度因子和非顯性因子。2.2設(shè)計(jì)匹配電路 實(shí)際試驗(yàn)中運(yùn)算放大器用OP07來(lái)接，并且在OP07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(huì)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(méi)有的OPAMP運(yùn)算放大器。我們?cè)O(shè)計(jì)的匹配電路如下圖：圖2-3 匹配電路原理圖根據(jù)放大器原理可以得出 （2.2-1） 即 （

21、2.2-2）所以 （2.2-3）即輸出電壓與布料的厚度成線性比例關(guān)系。第三章 仿真設(shè)計(jì)及分析 3.1 仿真電路的建立因?yàn)檩斎腚妷簽榻涣麟娫?，輸出電壓為交流電壓的有效值，則根據(jù)以上公式帶入測(cè)量參數(shù)得（1）當(dāng)電容極板間沒(méi)有放入棉布時(shí)，可以得到電容 （3.1-1）此時(shí)電壓表輸出電壓為 （3.1-2） 如圖圖3-1 無(wú)棉布放入時(shí)輸出電壓仿真結(jié)果（2）當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.05mm時(shí)，此時(shí)的電容為 （3-3）輸出電壓為： （3-4） 如圖圖3-2 布料厚度0.05mm時(shí)仿真電路（3）當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.10mm時(shí)，此時(shí)的電容為 （3-5）輸出電壓為 （3-6）如圖：圖3-3 布料厚度為0.1m

22、m時(shí)仿真電路（4）當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.15mm時(shí)，仿真結(jié)果如下圖圖3-4 布料厚度為0.15mm時(shí)仿真電路（5）當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.20mm時(shí)，仿真結(jié)果如下圖圖3-5 布料厚度為0.2mm時(shí)仿真電路（6）當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.25mm時(shí)，仿真結(jié)果如下圖圖3-6 布料厚度為0.25mm時(shí)仿真電路（7）當(dāng)假設(shè)極板間布料厚度為0.30mm時(shí)，仿真結(jié)果如下圖圖3-7 布料厚度為0.3mm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(huì)在第（8）步詳細(xì)給出布料厚度與電壓關(guān)系表（8）綜合如上，我們組將02.0mm的布料以0.05mm每組為單位分成40組，如下我們制成一個(gè)表格，將布料厚度與電壓

23、關(guān)系表示出來(lái)。表（3-1）布料厚度與電壓關(guān)系3.2 仿真結(jié)果的分析根據(jù)上面的表（3-1），我們用Matlab繪制了厚度d與電壓u的關(guān)系圖線如下：圖3-8 厚度d與電壓u的仿真圖由表3-1及圖3-8可知布料厚度d與輸出電壓u呈線性關(guān)系由公式（1.3-2）和（2.2-3）得： （3.2-1）即： （3.2-2）由公式(3.2-2)知厚度d與輸出電壓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用數(shù)字顯示出來(lái)，其中電路圖如下：圖3-9 仿真電路的結(jié)果根據(jù)厚度d和輸出電壓u的關(guān)系，我們進(jìn)行了模數(shù)轉(zhuǎn)化，將厚度值通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。如圖3-9所示，每次改變電容值C2時(shí)，數(shù)碼管將顯示其對(duì)應(yīng)的厚度值。第四章 對(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)4.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)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