1、燕山大學課程設計說明書摘要本次課程設計主要講解電容式傳感器的使用中的一部分，傳感器技術是現代信息技術的主要內容之一。傳感器是將能夠感受到的及規定的被測量按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成，其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量（輸入量）的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受的或響應的被探測量轉換成適于傳輸和測量的電信號的部分。電容式傳感器不但廣泛應用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量而且還逐步地擴大應用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。根據可以把電容傳感器分為極距變化型電容傳感器、面積變化型電容傳感器、介質變化型電容

2、傳感器。根據實際不同的需求，可以利用不同的電路來實現所需要的功能。電容式傳感器的特點：（1）小功率、高阻抗。電容傳感器的電容量很小，一般為幾十到幾百微微法，因此具有高阻抗輸出；（2）小的靜電引力和良好的動態特性。電容傳感器極板間的靜電引力很小，工作時需要的作用能量極小和它有很小的可動質量，因而具有較高的固有頻率和良好的動態響應特性；（3）本身發熱影響小（4）可進行非接觸測量。布料厚度測量是基于變介電常數電容傳感器的一種精密測量，它可以實現簡單的厚度測量，根據電容電路的特性分析可以知道所測布料的厚度。關鍵詞：厚度測量裝置，電容傳感器，運算放大電路，仿真目錄第一章 對布料厚度測量裝置所做的調研&#

3、183;·····························3 1.1厚度測量裝置在工業環境下的意義·················

4、···········3 1.2 厚度測量裝置的研究現狀····································3

5、1.3 簡述設計的整體思路········································4第二章 電容測厚裝置的介紹·····

6、83;···································6 2.1 詳細介紹電容測厚裝置············

7、;··························62.2設計匹配電路······················&

8、#183;························8第三章 仿真設計及分析·······················&

9、#183;····················9 3.1 仿真電路的建立···························

10、·················93.2 仿真結果的分析·······························

11、············13第四章 對課程設計進行試驗···································

12、83;····15 4.1 實驗過程···········································

13、3;·····154.2 分析仿真與試驗結果的差異·································15第五章 設計體會·······

14、···········································16第一章 對布料厚度測量裝置所做的調研1.1厚度測量裝置在工業環境下的意義在現代高

15、科技社會中，發展一些厚度測量裝置具有非常重大的意義，厚度測量裝置的使用將會大大的減少人力的投入，更加方便快捷的得到高精度，高質量的產品，此次我們研究得課題是布料厚度的測量，我們很容易聯想到我們身邊的各種絲質，棉質等布匹，但是如何在生產時得到等厚度的布料呢。這里就會用到厚度測量裝置，運用電容式傳感器對布料厚度進行測量，將會非?？旖?，而且非常準確，后面我們將介紹一下電容式傳感器測量厚度的原理，將它運用于工業中我們能夠及時發現問題以及能夠及時進行對設備的修正，總之，厚度測量裝置是發展高新技術，節省人力物力不可或缺的發明。1.2 厚度測量裝置的研究現狀 因為我們所介紹的主要是布料厚度的測量，所以我們主

16、要講解一下非金屬厚度測量的應用，經過查閱資料知道，現如今各種傳感器的品種眾多，所以測量方式也不盡相同。目前，非金屬厚度的檢測大多數是以位移檢測為基礎的無接觸測量，測量方法很多，視對象不同，常采用超聲，射線，微波，電磁渦流等不同方法進行測量。超聲反射法從測量精度來說可滿足生產中的要求，但需要耦合劑，被測厚度需要大于2mm。射線法需要放射源，存在需加防護措施，成本高等問題，推廣使用有一定的難度。渦流測厚可在油污、塵埃、濕度、高溫惡劣的工業環境下長期工作，但一般用于金屬厚度檢測，這些現狀對當前非金屬測厚技術提出了挑戰。我們考慮到利用電容式傳感器檢測非金屬的厚度，因為其設備簡單、經濟、測量精度可達2.

17、5mm，所以方法具有可行性。1.3 進行自己設計的整體思路電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，通過電容傳感元件，將被測物理量的變化轉換為物理量的變化。因此電容式傳感器的基本工作原理可以用圖1-1所示的平板電容器來說明。當忽略邊緣效應時，平板電容器的電容為圖1-1 平板電容器簡圖 （1.3-1）式中：S極板面積； 極板間距離； 真空介電常數， =8.85； 相對介電常數； 電容極板間介質的介電常數。當極板面積S、極板間間距保持不變，而插入相對介電常數為的介質，此時構成的電容傳感器為變介電常數電容傳感器，保持介電常數不變而改變介質的厚度。如下圖所示： 圖1-2 裝置測厚簡圖 （1.3-2

18、）式中:S測量電容的極板面積； a測量電容的極板間距離； d插入電容的測量棉布的厚度； 真空介電常數， =8.85； 棉布的相對介電常數； 在實驗過程中，我們將得到電壓與厚度的關系，然后我們最后會用圖表的形式將這種關系表現出來，當測量布料厚度時，只需要測量出電壓值然后與圖表進行比較就會得到相應的厚度值。第二章 電容測厚裝置的介紹2.1 詳細介紹電容測厚裝置（1）相關器件介紹所需元件清單：1）信號發生器（1V交流電源，頻率100HZ） 2）儀用放大器OPAMP一個 3）1.5PF電容一個 4）自制0.9PF電容一個 5）電壓表一個0-10V 6）開關一個 7）布料：棉布（含化纖）表（2.1-1）

19、 各種布料介電常數測試數據表信號發生器：信號發生器是一種能提供各種頻率、波形和輸出電平電信號，常用作測試的信號源或激勵源的設備。利用信號發生器可以后的測量電路所需要的100HZ、1V的電壓。運算放大器：可以對電信號進行運算，一般具有高增益、高輸入阻抗和低輸出阻抗的放大器。利用放大器可以對電信號進行放大（2）自制電容參數: 極板面積9，極板間距近似a=8.85mm，網上查詢資料得棉布的相對介電常數=2.75，棉布厚度 d=02mm，自制電容如下圖所示。 圖2-1 自制電容傳感器靈敏度：傳感器的靈敏度是指傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入的變化量之比即為其靜態靈敏度。靈敏度表達式： （2.1-

20、1）對于線性傳感器，其靈敏度為常數，也就是傳感器特性曲線的斜率。對于非線性傳感器，靈敏度是變量，其表達式為 ： （2.1-2）一般要求傳感器的靈敏度較高并在滿量程內是常數為佳，這就要求傳感器的輸出輸入特性為直線（線性）。自制電容的相對變化量： （2.1-3）式中：，為靈敏度因子和非顯性因子。2.2設計匹配電路 實際試驗中運算放大器用OP07來接，并且在OP07上面接一個很大的電阻，但是試驗中我們發現由于電阻值的改變會稍微影響一點輸出電壓值的變化，所以我們這里接的是實際中并沒有的OPAMP運算放大器。我們設計的匹配電路如下圖：圖2-3 匹配電路原理圖根據放大器原理可以得出 （2.2-1） 即 （

21、2.2-2）所以 （2.2-3）即輸出電壓與布料的厚度成線性比例關系。第三章 仿真設計及分析 3.1 仿真電路的建立因為輸入電壓為交流電源，輸出電壓為交流電壓的有效值，則根據以上公式帶入測量參數得（1）當電容極板間沒有放入棉布時，可以得到電容 （3.1-1）此時電壓表輸出電壓為 （3.1-2） 如圖圖3-1 無棉布放入時輸出電壓仿真結果（2）當假設極板間布料厚度為0.05mm時，此時的電容為 （3-3）輸出電壓為： （3-4） 如圖圖3-2 布料厚度0.05mm時仿真電路（3）當假設極板間布料厚度為0.10mm時，此時的電容為 （3-5）輸出電壓為 （3-6）如圖：圖3-3 布料厚度為0.1m

22、m時仿真電路（4）當假設極板間布料厚度為0.15mm時，仿真結果如下圖圖3-4 布料厚度為0.15mm時仿真電路（5）當假設極板間布料厚度為0.20mm時，仿真結果如下圖圖3-5 布料厚度為0.2mm時仿真電路（6）當假設極板間布料厚度為0.25mm時，仿真結果如下圖圖3-6 布料厚度為0.25mm時仿真電路（7）當假設極板間布料厚度為0.30mm時，仿真結果如下圖圖3-7 布料厚度為0.3mm時仿真電路以上就是我們截取的一部分數據，我們會在第（8）步詳細給出布料厚度與電壓關系表（8）綜合如上，我們組將02.0mm的布料以0.05mm每組為單位分成40組，如下我們制成一個表格，將布料厚度與電壓

23、關系表示出來。表（3-1）布料厚度與電壓關系3.2 仿真結果的分析根據上面的表（3-1），我們用Matlab繪制了厚度d與電壓u的關系圖線如下：圖3-8 厚度d與電壓u的仿真圖由表3-1及圖3-8可知布料厚度d與輸出電壓u呈線性關系由公式（1.3-2）和（2.2-3）得： （3.2-1）即： （3.2-2）由公式(3.2-2)知厚度d與輸出電壓u的理論值也為線性關系。根據上述線性關系，我們用模數轉換元件，譯碼器，以及數碼管將厚度d用數字顯示出來，其中電路圖如下：圖3-9 仿真電路的結果根據厚度d和輸出電壓u的關系，我們進行了模數轉化，將厚度值通過數碼管顯示出來。如圖3-9所示，每次改變電容值C2時，數碼管將顯示其對應的厚度值。第四章 對課程設計進行試驗4.1 實驗過程由于該實驗在實驗室比較難實驗，缺少一些必備的元器件，所以