序3獨寥課程設計課程 傳感器課程設計 題 目 電容式重量傳感器設計院 系 電氣信息工程學院專業班級學生姓名 學生學號 指導教師 2013年4月5任務書課程 傳感器課程設計題目 電容式重量傳感器應用電路設計專業測控技術與儀器 姓名 學號 主要內容：電容式重量傳感器：設計的傳感器根據受壓不同，輸出信號不同。本設計要求完成重量傳感器的設計，采用電容式設計電路。電容式稱重傳感器的原理：電容式稱重傳感器是把被稱物體重量轉換為電容容量變化的一種傳感器。 通常為差動變間距電容式稱重傳感器，采用調頻電路，實際上就是一個具有可變參數的電容器。基本要求：1、 按照技術要求，設想不同的設計方案并進行比較。2、 利用電容的特性設計出一種稱重的應用電路。3、 說明所用傳感器的基本工作原理、畫出應用電路電路圖。完成期限 指導教師 專業負責人 TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、設計要求及用途 1\o"CurrentDocument"二、 方案設計 1方案一：電阻應變式稱重傳感器 1方案二：電感式稱重傳感器 2\o"CurrentDocument"方案三：電容式重量傳感器 2\o"CurrentDocument"三、 電容式傳感器工作原理 3\o"CurrentDocument"四、 電路的工作原理 3\o"CurrentDocument"五、 單元電路設計、參數計算和器件選擇 3\o"CurrentDocument"1、 單元電路設計 4\o"CurrentDocument"2、 器件選擇 5\o"CurrentDocument"3、 元器件清單 5\o"CurrentDocument"六、 總結 6傳感器課程設計傳感器課程設計電容式重量傳感器設計一、設計要求及用途設計的電容式重量傳感器電路，當被稱重物差動改變電容的間距而使電容發生變化時，振蕩器的振蕩頻率發生相應變化，在鑒頻器上變換為振幅的變化，經放大轉換成一個直流的高電平信號輸出，在稱重儀表顯示。要求設計的傳感器具有結構簡單，能實現非接觸測量，適應性強，體積小，靈敏度高，分辨率高等特點。重量傳感器主要應用在各種電子衡器、工業控制領域、在線控制、安全過載報警、材料試驗機等領域。如電子汽車衡、電子臺秤、電子叉車、動態軸重秤、電子吊鉤秤、電子計價秤、電子鋼材秤、電子軌道衡、料斗秤、配料秤、罐裝秤等。二、方案設計目前稱重傳感器的敏感元件的類型主要有應變片、電容、電感等。針對敏感元件的不同可以將稱重傳感器的設計分為下面三種不同的設計方案：方案一：電阻應變式稱重傳感器電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小） ，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。公式電阻應變式傳感器的優點是精度高， 測量范圍廣壽命長，結構簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現小型化、整體化和品種多樣化等。它的缺點是對于大應變有較大的非線性、輸出信號較弱。感受重量七產生應變*阻值變化輸出變化圖1應變式稱重原理框圖方案二：電感式稱重傳感器在電感式壓力傳感器中，首先用彈性元件將被測壓力轉換成彈性元件的位移，再用電學的方法將位移轉換成自感或互感系數的變化，最后由測量電路轉換成與被測壓力成正比的電流或電壓輸出。電感式壓力傳感器的工作原理是由于磁性材料和磁導率不同，當壓力作用于膜片時，氣隙大小發生改變，氣隙的改變影響線圈電感的變化，處理電路可以把這個電感的變化轉化成相應的信號輸出，從而達到測量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路變化可以分為兩種：變磁阻和變磁導。電感式壓力傳感器的優點在于靈敏度高、測量范圍大；缺點就是不能應用于高頻動態環境。感受重量氣隙變化電感變化?輸岀變化J圖2電感式稱重原理框圖方案二：電容式重量傳感器電容式傳感器是按照兩塊平行極板之間的極距、面積或介質的變化引起相應的電容的變化這一原理來稱重的。電容式稱重傳感器主要是基于外加載荷改變電容平行極板的間隙來改變電容這一原理上的，在通過測量電路將電容的變化轉換成頻率量。電容式稱重傳感器有著自己獨特的優點：能耗低，結構簡單，環境適應力強,電路簡單，輸出數字信號，簡化了二次儀表的開發，體積小，重量輕。同時也存在著一些缺點，本身工作電容較低，寄生電容有時大于工作電容，抗干擾能力差。近來科技的發展，使得電容傳感器能與放大電路、振蕩電路做在一起，減少了干擾和分布電容對之的影響，精度有所提高，使電容器愈來愈受到人們的關注。感受重量+極距變化T電容變化T輸出變化圖3電容式稱重原理框圖三、電容式傳感器工作原理電容式稱重傳感器的原理：電容式稱重傳感器是把被稱物體重量轉換為電容容量變化的一種傳感器。通常為差動變間距電容式稱重傳感器，采用調頻電路，實際上就是一個具有可變參數的電容器。當被稱重物差動改變電容的間距而使電容發生變化時，振蕩器的振蕩頻率發生相應變化，在鑒頻器上變換為電壓振幅的變化，經放大轉換成一個直流的高電平信號輸出，在稱重儀表顯示。這時，可以通過電壓的變化測出相應的重量。四、電路的工作原理圖4電容式稱重傳感器原理圖電容式稱重傳感器是把被稱物體重量轉換為電容容量變化的一種傳感器。通常為差動變間距電容式稱重傳感器，采用調頻電路，實際上就是一個具有可變參數的電容器。若Cx1=Cx2，因兩電容上疊加的交流電壓值相等但相位相反，貝U U0=0<若Cx1mCx2,因兩電容上疊加的交流電壓值不等相位相反，貝U UO0，即橋路有輸出電壓。當被稱重物差動改變電容的間距而使電容量發生變化時， R1前的電壓變化，經過有A1構成的濾波器后，由A2和R3，R4，Rf構成的運算放大器進行放大，從而得到一個可用輸出信號，根據輸出電壓的大小，可以計算出電容的變化量，進而測出所受重量。五、單元電路設計、參數計算和器件選擇

1、單元電路設計電容傳感器轉換電路圖5轉換電路圖中Cx為電容傳感器，差動接法時，若Cx1=Cx2,因兩電容上疊加的交流電壓值相等但相位相反，則U0=0。當受到重量作用時，電容的極距會發生變化，從而導致Cx1mCx2,因兩電容上疊加的交流電壓值不等相位相反，貝U UO0，即電路有輸出電壓。通過這種方法，可以將受力導致的電容的變化轉換成相應的電壓量的變化。濾波電路電路所示是一個反相輸入的一階低通濾波器， 濾波電路盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數降低，波形變得比較平滑。運算放大電路輸入oULb—輸出V 1嚴4■占R21圖7運算放大電路圖中所示的是一個反相的運算放大電路，其作用主要是要將原輸出信號進行適當的放大，以便更好的測量。電路的放大倍數為 -Rf/R1,選擇適當的電阻，即可得到想要的放大倍數。2、器件選擇R1-R4選用1/4W金屬膜電阻器或碳膜電阻器。Rf1和Rf2選用超小型合成碳膜電位器或可變電阻器。Cxi、Cx2均選用耐壓值為I6V的鋁電解電容器，C選用高頻瓷介電容器或玻璃釉電容器。變壓器和可變電容器Cxi、Cx2構成電容傳感器轉換電路，將電容的改變值轉換為電壓值。R1、R2Rf1、A1與C構成一階低通濾波器。R4R3Rf2與A2構成運算放大器。3、元器件清單表1兀器件清單編號名稱型號數量Cxi可變電容1220u/10V1Cx2可變電容2220u/10V1C電解電容0.01u1R1固定電阻1680Q1R2固定電阻2680Q1R3固定電阻3680Q1R4固定電阻4680Q1Rfl可調電阻1200K1Rf2可調電阻2200K1六、總結隨著技術的進步，由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應用到各行各業 ，實現了對物料的快速、正確的稱量，特別是隨著微處理機的出現，產業生產過程自動化程度化的不斷進步，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必須的裝置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計測以及吊車秤、汽車秤等計測控制，到混合分配多種原料的配料系統、生產工藝中的自動檢測和粉粒體進料量控制等，都應用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領域。雖說電容式傳感器有些缺點，例如輸出具有非線性，寄生電容的影響往往降低傳感器的靈敏度等。但是它的優點更為明顯：功率小、阻抗高；靜電引力小、動態特性良好；和電阻式傳感器相比，電容式傳感器本身發熱影響小；可進行非接觸測量；結構簡單，適應性強，可以在溫度變化比較大或具有各種輻射的惡劣環境中工作，因此電容式傳感器具有很好的應用前景。在這次設計過程中，我查閱了好多資料，解決電容式測重的設計要求，在將電容的變化量轉換為頻率變化和頻率/電壓轉換的過程中遇到了很大的困難，自己所學的知識不能解決這個問題，后來通過翻閱相關知識，才解決了這些問題。雖說這個課程對自己來說有些難度，但是通過它，我提高了自己自學的能力，了解了一些原來沒有接觸過的知識，收獲還是挺大的。參考文獻黃賢武，鄭筱霞?傳感器原理與應用[M].北京：高等教育出版社，2004.38-50.李剛，林凌.現代測控電路[M].北京：高等教育出版社，2004.50-62.張洪潤.傳感器技術大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.