传感器课程设计-电容传感器.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流传感器课程设计-电容传感器.精品文档.燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目: 电容式纸张厚度传感器的设计 学院(系): 电气工程学院 年级专业: 09级仪表一班 学 号: 学生姓名: 指导教师: 童凯 教师职称: 副教授 燕山大学课程设计(论文)任务书院(系): 基层教学单位: 学 号090103020014学生姓名陈志浦专业(班级)09仪表一班设计题目电容式纸张厚度传感器的设计设计技术参数1测量范围0-2mm;2输出电压0-10V;3极板间距4mm;4灵敏度;5精度。设计要求1学习掌握电容传感器的相关知识;2设计电容厚度传感器的极板;3设
2、计电容传感器的转换电路;4电容厚度传感器的硬件调试;5撰写报告、完成答辩。工作量第18-19周(完成资料查阅、方案设计、电路仿真、硬件调试、测试及误差分析等内容)工作计划设计时间共10天。第1-2天 资料查阅(图书馆及网络);理论工作原理学习。第3-4天 设计方案制定。第5-6天 电路仿真,各器件选型。第7-8天 传感器硬件调试。第9-10天 撰写报告,完成答辩。参考资料张玉龙等。传感器电路设计手册。中国计量出版社。1989年指导教师签字基层教学单位主任签字说明:此表一式四份,学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日 燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语:成绩: 指导教师: 20
3、11年 6月 25 日答辩小组评语: 成绩: 评阅人: 2011年 6月 25 日课程设计总成绩:答辩小组成员签字: 赵彦涛、程淑红、林洪斌2011年 6月 25 日摘要第一章 绪论。介绍测厚传感器检测技术的发展概况及本课题研究的背景、目的和研究的主要内容。第二章 电容传感器的结构设计。从电容传感器的基本工作原理出发,分析其用于测厚方面的优缺点,并结合有限元分析软件及电容精确计算公式对传感器的边缘效应做深入研究,对传感器的结构进行优化设计,研制出具有新型结构的电容传感器。第三章 基于电容传感器的测厚系统电路设计。对测厚系统的整体设计方案做详细阐述,分析电容传感器的等效电路,估算出合适的工作频率
4、范围,并对检测电路的各组成部分分别进行说明和设计。第四章 虚拟仪器技术在电容测厚系统中的应用。根据虚拟仪器技术的应用及特点,选用LABVIEW 作为开发平台,在相应的硬件基础之上,完成数据采集,虚拟仪器面板开发及用户应用程序的创建。第五章 实验与结果分析。通过样机空载及云母纸测厚实验,得到样机各项性能指标,并对测量误差进行分析。第六章 全文总结及展望。对虚拟电容测厚系统的研制工作进行总结,针对不足提出一些设想。2 电容传感器的结构设计2.1 电容传感器的工作原理及类型 电容传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化的一种传感器。实际上,它本身(或和被测物)就是一个具有可变参数的电容器。在大多数
5、场合,电容器由两平行极板以及中间的电介质组成,当不考虑边缘效应时,其电容量为(2-1)式中,C:两极板间的电容(F); :真空介电常数,为8.85410-12(F/m),空气的介电常数与真空近似; :极板之间介质的相对介电常数; s:极板的有效面积(m2); d:两极板间距(m)。 当被测量的变化能使式中d,S 或 发生变化时,电容量C 也就随之改变,再通过一定的测量电路将其转化为电压、电流或频率等电信号输出,即可根据输出的电信号判定被测物理量的大小,这也是电容传感器的基本工作原理。 实际应用中,常使d、S、 中的两个参数保持不变,而改变其中一个来使电容发生变化。于是,电容传感器根据参数变化的
6、不同,分为三种基本类型,即改变极距型,改变面积型和改变介质型。1改变极距型电容传感器 改变极距型电容传感器适用于测量微小的线位移,图2-1 为这种类型的结构原理图。当可动极板随被测量变化而上下移动时,两极板间距变化,从而改变了电容量。若间距减小d,则电容增量为 电容相对增量为 可见,输出电容的相对变化与输入位移变化是非线性关系。为了减小非线性,提高灵敏度,一般采用差动式结构。2改变面积型电容传感器 改变面积型电容传感器适用于测量角位移或较大的线位移,图2-2 是这种类型的结构原理图。图中,1 均为固定极板,2 为动极板。 图2-2(a)是线位移式,设两极板间初始遮盖面积为s0(s0=ab),当
7、其中一个极板沿水平方向移动x 时,极板有效面积就发生变化,则电容量变化为图2-2(b)是角位移式,设初始时两极板遮盖角度为(相对角位移为0),遮盖面积为s,当其中一个极板转动角时,则极板间的电容量变化为由式(2-4)和式(2-5)很容易看出,改变面积式电容传感器的输出特性是线性的,灵敏度为常数。3改变介质型电容传感器改变介质型电容传感器用于测量电介质的厚度、位移、液位,还可根据极间介质的介电常数的变化来测量温度、湿度、容量等。这种变介质型电容传感器的结构形式很多,图2-3 为检测电介质厚度的结构原理图。图中待测物的厚度为x,相对介电常数为 。如果极板间的其它介质是介电常数为 的空气,此时总的电
8、容量可写为若厚度变化x,则电容变化Cx,那么可以推导得到电容相对变化量为其中, 式(2-7)与式(2-3)的形式相同,只是多了一个随(d x) x 变化而变化的系数Nx, (d x) x 越小,则Nx 越大,传感器的灵敏度也愈大,但非线性越严重。由式(2-6)可见,当传感器面积s 和间距d 一定, x 也不变时,电容只随电介质厚度x 变化而变化,且x 与电容的倒数成线性关系。若经过一定的测量电路,将电容变化量转换成易于处理的电压、电流等电量变化,获得x 与电量之间的关系,电介质厚度的测量就可以实现了。2.2 电容传感器在测厚方面的优缺点分析 电容传感器是用于非电量测量的三种经典式传感器之一,它
9、用于介质厚度的测量时,具有如下优点:1. 机械结构简单。可以不用有机材料和磁性材料构成,能经受相当大的 温度变化及各种辐射作用,因而可以在温度较高,有各种辐射等恶劣 环境下工作。2. 易于实现非接触式测量。 以极板间的电场力代替了测量头与被测物的 表面接触,由于电场力极其微弱,不会产生迟滞和变形,消除了接触 式测量由于表面应力给测量带来的不利影响。3. 动态响应速度快。系统固有频率高,可以直接用于某些生产线上的动 态测量。4. 灵敏度高。如果再采用现代化精密测量方法,就能测量电容纸的的 变化量。又因为极间的电磁吸引力十分微小,输入能量低,从而保证 了比较高的测量精度。 然而,电容传感器也有其自
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