电容传感器测量纸张厚度

电容传感器测量纸张厚
度
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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的电信号的部分。

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。

电容式传感器的特点：（1）小功率、高阻抗。

电容传感器的电容量很小，一般为几十到几百微微法，因此具有高阻抗输出；（2）小的静电引力和良好的动态特性。

电容传感器极板间的静电引力很小，工作时需要的作用能量极小和它有很小的可动质量，因而具有较高的固有频率和良好的动态响应特性；（3）本身发热影响小（4）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。

关键词：厚度测量装置，电容传感器，运算放大电路，仿真
第一章对布料厚度测量装置所做的调研 (3)
厚度测量装置在工业环境下的意义 (3)
厚度测量装置的研究现状 (3)
简述设计的整体思路 (4)
第二章电容测厚装置的介绍 (6)
详细介绍电容测厚装置 (6)
设计匹配电路 (8)
第三章仿真设计及分析 (9)
仿真电路的建立 (9)
仿真结果的分析 (13)
第四章对课程设计进行试验 (15)
实验过程 (15)
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
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，而且非常准确，后面我们将介绍一下电容式传感器测量厚度的原理，将它运用于工业中我们能够及时发现问题以及能够及时进行对设备的修正，总之，厚度测量装置是发展高新技术，节省人力物力不可或缺的发明。

厚度测量装置的研究现状
因为我们所介绍的主要是布料厚度的测量，所以我们主要讲解一下非金属厚度测量的应用，经过查阅资料知道，现如今各种传感器的品种众多，所以测量方式也不尽相同。

目前，非金属厚度的检测大多数是以位移检测为基础的无接触测量，测量方法很多，视对象不同，常采用超声，射线，微波，电磁涡流等不同方法进行测量。

超声反射法从测量精度来说可满足生产中的要求，但需要耦合剂，被测厚度需要大于2mm。

射线法需要放射源，存在需加防护措施，成本高等问题，推广使用有一定的难度。

涡流测厚可在油污、尘埃、湿度、高温恶劣的工业环境下长期工作，但一般用于金属厚度检测，这些现状对当前非金属测厚技术提出了挑战。

我们考虑到利用电容式传感器
检测非金属的厚度，因为其设备简单、经济、测量精度可达，所以方法具有可行性。

进行自己设计的整体思路
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
图1-1 平板电容器简图
δ
ε
ε
δ
εS
S
C O r
=
=（）
式中：S——极板面积；
δ——极板间距离；
o
ε——真空介电常数，
o
ε=1-
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
r
o
d
d-a
S
C
ε
ε
+
=（）
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=1-
12
-m
10F
⨯；
r
ε——棉布的相对介电常数；
在实验过程中，我们将得到电压与厚度的关系，然后我们最后会用图表的形式将这种关系表现出来，当测量布料厚度时，只需要测量出电压值然后与图表进行比较就会得到相应的厚度值。

第二章电容测厚装置的介绍
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）电容一个
4）自制电容一个
5）电压表一个0-10V
6）开关一个
7）布料：棉布（含化纤）
表（）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92
cm，极板间距近似a=，网上查询资料得棉布的相对介
电常数
r
ε=，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
∆
∆
=（）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=（）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：
]
)
)(
(
1[
)
(
1
1
d
C
C
⋅⋅⋅+
∆
∆
+
∆
+
⨯
∆
=
∆
-
⨯
⨯
∆
=
∆
d
d
N
d
d
N
d
d
N
N
d
d
d
d
N
N
d
（）
式中：
d
d-a
1
1-
N
r
r
）
（
ε
ε
+
=，为灵敏度因子和非显性因子。

设计匹配电路
实际试验中运算放大器用OP07来接，并且在OP07上面接一个很大的电阻，但是试验中我们发现由于电阻值的改变会稍微影响一点输出电压值的变化，所以我们这里接的是实际中并没有的OPAMP运算放大器。

我们设计的匹配电路如下图：
图2-3 匹配电路原理图
根据放大器原理可以得出
x
C
U
C
E⨯
-
=
⨯（）
即E
C
C
U
x
0⨯
-
=（）所以]
)1
1
(
[
E
C
C
U
x
0d
a
S
E
C
r
-
+
⨯
⨯
-
=
⨯
-
=
ε
ε
（）
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
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 （） 此时电压表输出电压为
V 666.1V 19
.05.1E *C C U x000=⨯==
（） 如图
图3-1 无棉布放入时输出电压仿真结果
（2）当假设极板间布料厚度为时，此时的电容为
PF
9033
.0
818
.8
10
9
85
.8
10
]
05
.0
1
75
.2
1
85
.8[
10
9
10
85
.8
d
1
1
a
S
C
13
3
4
12
r
x1
=
⨯
⨯
=
⨯
⨯
-
+
⨯
⨯
⨯
=
⨯
-
+
=
-
-
-
-
F
F
）
（
）
（
ε
ε
（3-
3）
输出电压为：
V
V661
.1
1
9033
.0
5.1
E
C
C
U
1x
1
=
⨯
=
⨯
=（3-4）
如图
图3-2 布料厚度时仿真电路
（3）当假设极板间布料厚度为时，此时的电容为
PF
9065 .0
10
]
10
.0
1
75
.2
1
85
.8[
10
9
10
85
.8
d
1
1
a
S
C
3
4
12
r
x1
=
⨯
⨯
-
+
⨯
⨯
⨯
=
⨯
-
+
=
-
-
-
F
）
（
）
（
ε
ε
（3-5）
输出电压为
V
V654
.1
1
9065
.0
5.1
E
C
C
U
1x
1
=
⨯
=
⨯
=（3-6）如图：
图3-3 布料厚度为时仿真电路
（4）当假设极板间布料厚度为时，仿真结果如下图
图3-4 布料厚度为时仿真电路
（5）当假设极板间布料厚度为时，仿真结果如下图
图3-5 布料厚度为时仿真电路
（6）当假设极板间布料厚度为时，仿真结果如下图
图3-6 布料厚度为时仿真电路
（7）当假设极板间布料厚度为时，仿真结果如下图
图3-7 布料厚度为时仿真电路
以上就是我们截取的一部分数据，我们会在第（8）步详细给出布料厚度与电压关系表
（8）综合如上，我们组将0~的布料以每组为单位分成40组，如下我们制成
一个表格，将布料厚度与电压关系表示出来。

表（3-1）布料厚度与电压关系
仿真结果的分析
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（）和（）得： 1
-c 1-s d r r 0r r 0εαεεεε-=U E ）（ （） 即： U 3443.8-907.13d = （） 由公式知厚度d 与输出电压u 的理论值也为线性关系。

根据上述线性关系，我们用模数转换元件，译码器，以及数码管将厚度d 用数字显示出来，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。

第四章对课程设计进行试验
实验过程
由于该实验在实验室比较难实验，缺少一些必备的元器件，所以我们没有进行实验，但是我们所用的OPAMP运算放大器在实验室并不存在，所以一般会选用OP07运算放大器代替。

分析仿真与试验结果的差异
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。

第五章设计体会
（1）本次课程设计，开始两天主要是查询有关关于课题方面的资料，并且学习Multisim软件的使用，之后我用Multisim软件仿真模拟了调频测量电路、交流电桥测量电路、运算放大器式测量电路二极管双T型交流电桥，由于我个人能力有限，在调试测量电路时，发现输出的电压有很大区别，综合各方面的考虑，最终选择了简单方便的运算放大器测量电路。

确定好电路之后，我开始对电路参数进行调试，并运用课本知识计算自制电容大小，什么样的、多大的电容合适。

最后开始分析电路，得出处理方法和结果，最后撰写课程设计说明书。

（2）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mathtype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：
《传感器原理及应用》赵燕版
《电子技术基础模拟部分》康华光版
《数字电子技术基础》常丹华版。