(完整word版)传感器课程设计电容传感器

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：

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。

燕山大学课程设计评审意见表

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）；

ε：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；

ε：极板之间介质的相对介电常数；

r

s：极板的有效面积（m2）；

d：两极板间距（m）。

ε发生变化时，电容量C 也就随之改当被测量的变化能使式中d，S 或

r

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。

ε中的两个参数保持不变，而改变其中一个来实际应用中，常使d、S、

r

使电容发生变化。于是，电容传感器根据参数变化的不同，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Δd，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π（相对角位移为0），

遮盖面积为s，当其中一个极板转动θ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。

ε。如果极板间的其它介质是图中待测物的厚度为x，相对介电常数为

x

ε的空气，此时总的电容量可写为

介电常数为

若厚度变化Δx，则电容变化ΔCx，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 ε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7

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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身的缺点，所以它的使用受到一定限制，主要原因有：

1. 输出阻抗高，负载能力差。电容量受电极的几何尺寸等限制，一般为

几个皮法到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，易受外界干扰而产生不稳定现象，所以设计时必须采取屏蔽等措施。

2. 寄生电容影响大。因为传感器的初始电容量小，而电子线路的杂散电

容、引线电缆电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容”却较大，影响测量精度和灵敏度。所以在传感器结构设计以及检测电路中都应采取相应措施给予减少或消除。

3. 量程较小。由于传感器是依靠极板之间的间隙进行工作的，而间隙不

可能做得太大，则量程受到限制。在测量电介质厚度时，需要根据实际情况恰当选取极板的间距。

4. 边缘效应的影响。前面一些公式的推导都是在假设极板面积无限大而

忽略边缘效应的情况下给出的，实际上极板面积不可能无限大，边缘效应会使传感器灵敏度降低而且产生非线性，因而边缘效应是设计电容传感器时不容忽视的一个重要因素。下面将对边缘效应做进一步讨