传感器课程设计-电容传感器.doc

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****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****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: 2011 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 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); 0?:真空介电常数, ×10 -12( F/m ),空气的介电常数与真空近似; r?:极板之间介质的相对介电常数; s:极板的有效面积( m 2); d:两极板间距( m)。当被测量的变化能使式中 d,S或 r?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、 r?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。 ,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。 ,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 s 0(s 0=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。