传感器课设布料厚度测量装置的设计说明

目录
第1章摘要 (4)
第2基本原理 (4)
第3章参数设计及运算 (5)
3.1 结构设计 (5)
3.2 电容设计与计算 (7)
第4章误差分析 (9)
第5章结论 (9)
第6章心得体会 (9)
参考文献 (10)
第一章 摘要
在这个信息化高速发展的时代，传感器作为一种最经典的微控制器，传感器技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，作为仪表专业的学生，我们学习了传感器，就应该把它熟练应用到生活之中来。

本文将介绍一种基于传感器控制的布料厚度测量装置。

电容传感器是电子技术中的三大类无源元件（电阻，电容，电感）之一，利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转换。

本次课程设计主要讲解电容式传感器的使用中的一部分，通过变介电常数式电容传感器实现对布料厚度的测量。

布料厚度测量是基于变介电常数电容传感器的一种精密测量，它可以实现简单的厚度测量，根据电容电路的特性分析可以知道所测布料的厚度。

电容式传感器不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量而且还逐步地扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。

根据
δ
εεS r o =C 可以把电容传感器分为极距变化型电容传感器、面积变化型电容传感器、介质变化型电容传感器。

根据实际不同的需求，可以利用不同的电路来实现所需要的功能。

介质变化型电容传感器可进行非接触测量。

布料厚度测量是基于变介电常数电容传感器的一种精密测量，它可以实现简单的厚度测量，根据电容电路的特性分析可以知道所测布料的厚度。

第二章 基本原理
传感器是将能够感受到的及规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和测量的电信号的部分。

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
式中，C ：两极板间的电容（F ）；
0ε：真空介电常数，为8.854×10-12（F/m ），空气的介电常数与真空近似；
r ε：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 ）。

公式为：
r
o d d -a S
C εε+=
式中:S ——测量电容的极板面积；
a ——测量电容的极板间距离；
d ——插入电容的测量棉布的厚度；
o ε——真空介电常数， o ε=8.851-12-m 10F ⨯；
r ε——棉布的相对介电常数；
布料厚度测量是基于变介电常数电容传感器的一种精密测量，它可以实现简单的厚度测量，根据电容电路的特性分析可以知道所测布料的厚度。

布料厚度改变则d 变换，随之电容变化，电压变化。

本次课设宗旨就是找到d 变化与电压变化之间的关系。

然后我们最后会用图表的形式将这种关系表现出来，
第3章 参数设计及运算
3.1 结构设计
所需元件清单：1）信号发生器（1V 交流电源，频率100HZ ）
2）仪用放大器OPAMP 一个
3）3.5PF 电容一个
4）自制0.9PF 电容一个
5）数字万用表一个0-10V
6）开关一个
7）布料：棉布（含化纤）
表（2.1-1） 各种布料介电常数测试数据表
信号发生器：信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号，常用作测试的信号源或激励源的设备。

利用信号发生器可以后的测量电路所需要的100HZ 、1V 的电压。

运算放大器：可以对电信号进行运算，一般具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的放大器。

利用放大器可以对电信号进行放大
电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，通过电容传感元件，
将被测物理量的变化转换为物理量的变化。

因此电容式传感器的基本工作原理可以用图1-1所示的平板电容器来说明。

当忽略边缘效应时，平板电容器的电容为 δεεδεS S C O r == （1-1） 式中：S ——极板面积；
δ——极板间距离；
o ε——真空介电常数， o ε=8.851-12-m 10F ⨯；
r ε——相对介电常数； ε——电容极板间介质的介电常数。

当极板面积S 、极板间间距δ保持不变，而插入相对介电常数为r ε的介质，此时构成的电容传感器为变介电常数电容传感器，保持介电常数不变而改变介质的厚度，如下图所示。

r
o d d -a S
C εε+= （1-2）
式中:S ——测量电容的极板面积；
a ——测量电容的极板间距离；
d ——插入电容的测量纸张的厚度；
o ε——真空介电常数， o ε=8.851-12-m 10F ⨯；
r ε——纸张的相对介电常数；
3.2 电容设计与计算
自制电容参数:
极板面积92
cm ，极板间距近似a=8.85mm ，网上查询资料得棉布的相对介电常数r ε=2.75，棉布厚度 d=0~2mm 。

改变C2的阻值来得到电压的变化，当布料厚度d=0时： r o d d -
a S
C εε+==0.9pf
])11([1E 2C 1C U 0d a S E C r
-+⨯⨯-=⨯-=εε=1.664V 当布料厚度d=0.05时：
r
o d d -a S
C εε+==0.9033pf
])11([1E 2C 1C U 0d a S E C r
-+⨯⨯-=⨯-=εε=1.658
运用同样的算法可得到其余36组数据，所得数据如下表：
将数据统计后得到如下d变化与u的关系：
根据上面的表（3-1），我们用Matlab绘制了厚度d与电压u的关系图线如下：
图3-8 厚度d与电压u的仿真图
由表3-1及图3-8可知布料厚度d与输出电压u呈线性关系
由公式（1.3-2）和（2.2-3）得：
1
-c 1-s d r r 0r r 0εαεεεε-=U E ）（ （3.2-1）
即： U 3443.8-907.13d = （3.2-2）
由公式(3.2-2)知厚度d 与输出电压u 的理论值也为线性关系。

第四章 误差分析
误差分析：由于没有进行实际电路操作，故没有办法进行误差分析。

不过下面我们可以采用这些来消除误差：
1、消除和减少边缘效应（设计带保护环的电容传感器）；
2、提高设计结构的绝缘性能；
3、消除和减少寄生电容的影响
①增加传感器的原始电容值；
②集成化；
③运算放大器法；
④采用“驱动电缆”技术。

第五章 结论
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，经过两周的课程设计，锻炼了我运用课本基础理论基础与解决实际问题相结合的能力，锻炼了我的动手操作能力，使我对课本的基础知识有了更深一步的了解，也使我熟悉了visio 软件和multisim 软件的使用，使我以后可以利用此软件模拟课本自己不懂的电路，为以后的学习打下了基础。

第六章 心得体会
这次课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，经过一周的课程设计，它不仅是巩固了之前所学的知识，加深了对学过的知识的印象，锻炼了我运用课本基础理论基础与解决实际问题相结合的能力，锻炼了我的动手操作能力，使我对课本的基础知识有了更深一步的了解，也使我熟悉了Multisim 软件和visio 软件的使用，使我以后可以利用此软件模拟课本自己不懂的电路，为以后的学习打下了基础。

在完成课程设计过程中，每一处都凝聚了老师和同学对我的帮助，所有成果都是大家共同努力的成果。

总之这次课程设计让我的收获很大！
参考文献
1. 吕泉. 现代传感器原理及应用清华大学出版社 2006
2. 赵燕传感器原理及应用北京大学出版社
3. 吕俊芳传感器接口与检测仪器电路国防工业出版社 2009。