电容传感器测量纸张厚度..

精心整理

摘要

本次课程设计主要讲解电容式传感器的使用中的一部分，传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。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

可以把

根据实

很小，

根

1.1

1.2

1.3简述设计的整体思路 (4)

第二章电容测厚装置的介绍 (6)

2.1详细介绍电容测厚装置 (6)

2.2设计匹配电路 (8)

第三章仿真设计及分析 (9)

3.1仿真电路的建立 (9)

3.2仿真结果的分析 (13)

第四章对课程设计进行试验 (15)

4.1实验过程 (15)

4.2分析仿真与试验结果的差异 (15)

第五章设计体会 (16)

第一章对布料厚度测量装置所做的调研

1.1厚度测量装置在工业环境下的意义

在现代高科技社会中，发展一些厚度测量装置具有非常重大的意义，厚度测量装置的使用将会大大的减少人力的投入，更加方便快捷的得到高精度，高质量的产品，此次我们研究得课题是布料厚度的测量，我们很容易联想到我们身边的各种丝质，棉质等布匹，但是如何在生产时得到等厚度的布料呢。这里就会用到厚度测量装置，运用电容式传感器对布料厚度进行测量，将会非常快捷，

1.2经过查微波，1.3当忽略边缘效应时，平板电容器的电容为

图1-1平板电容器简图

δ

εεδεS S C O r ==（1.3-1） 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：

图1-2装置测厚简图

o d d -a S

C εε+=（1.3-2）

式中:S a d o εr ε

第二章电容测厚装置的介绍

2.1详细介绍电容测厚装置

（1）相关器件介绍

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）1.5PF 电容一个

4）自制0.9PF 电容一个

5）电压表一个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

（2）自制电容参数:

极板面积92cm ，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 ，自制电容如下图所示。

图2-1自制电容传感器 灵敏度：传感器的灵敏度是指传感器输出的变化量与引起该变化量的输入的变化量之比即为

其静态灵敏度。

灵敏度表达式：

x

y K ∆∆=（2.1-1）

对于线性传感器，其灵敏度为常数，也就是传感器特性曲线的斜率。对于非线性传感器，灵敏度是变量，其表达式为：

dx

dy K =（2.1-2） 一般要求传感器的灵敏度较高并在满量程内是常数为佳，这就要求传感器的输出输入特性为直线（线性）。

自制电容的相对变化量： 1d C ∆∆∆d 式中：2.2OPAMP 即U =所以U 即输出电压与布料的厚度成线性比例关系。

第三章仿真设计及分析

3.1仿真电路的建立

因为输入电压为交流电源，输出电压为交流电压的有效值，则根据以上公式带入测量参数得

（1）当电容极板间没有放入棉布时，可以得到电容PF a S

C x 9.01085.81091085.834

1200=⨯⨯⨯⨯==---ε（3.1-1）

此时电压表输出电压为

U 0=如图

（2如图

（3）当假设极板间布料厚度为0.10mm 时，此时的电容为

PF

9065.010]10.0175

.2185.8[1091085.8d 11

a S C 3

4

12r 0x1=⨯⨯-+⨯⨯⨯=⨯-+=

---F ）（）（εε（3-5）

输出电压为

V V 654.119065

.05.1E C C U 1x 01=⨯=⨯=（3-6） 如图：

图3-3布料厚度为0.1mm 时仿真电路

（4）当假设极板间布料厚度为0.15mm 时，仿真结果如下图

图3-4布料厚度为0.15mm 时仿真电路

（5）当假设极板间布料厚度为0.20mm 时，仿真结果如下图

图3-5布料厚度为0.2mm 时仿真电路

（6（7

（8表（3.2由表d =即：其中电路图如下：

图3-9仿真电路的结果

根据厚度d 和输出电压u 的关系，我们进行了模数转化，将厚度值通过数码管显示出来。如图3-9所示，每次改变电容值C2时，数码管将显示其对应的厚度值。