课程设计电容传感器测纸张厚度

目录

摘要--------------------------------------2

一、设计要求------------------------------3 二、EWB软件的使用-------------------------3 三、相关器件介绍及灵敏度------------------3

四、电容式传感器的工作原理及结构形式 -----5 五、电路原理分析--------------------------6 六、测量结果-----------------------------11 七、个人工作-----------------------------11 八、课程设计心得-------------------------11

摘要

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C

o rS

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。纸张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纸张的厚度。

关键字：电容传感器 敏感元件 高阻抗 纸张厚度测量

一、设计要求

利用变介电常数电容传感器为基本的控制核心，实现简单的纸张厚度的测量的功能。 二、EWB软件的使用

Electronics Work bench(简称EWB)，中文又称电子工程师仿真工作室。 使用步骤：

● 放置器件，并调整其位置和方向 ● 设置器件属性 ● 连接电路

● 观察实验现象，保存电路及仿真结果

三、相关器件介绍

所需元件清单：1）信号发生器（5V交流电源，频率100HZ）

2）仪用放大器AD620一个 3）1.5PF电容一个 4）自制0.9PF电容一个 5）电压表一个0-10V 6）开关一个 7）A4纸若干张

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、5V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。

自制电容参数:

极板面积9cm，极板间距近似a=8.85mm，网上查询资料得纸张的相对介电常数

2

r=2~4，本说明中取居中 r=3，纸张厚度 d=0.075mm，自制电容如下图所示

。

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

y

K

x

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

K

dy dx

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：

C d

N4 Cd

1

1 N4(

d)d

dddd

N4[1 N4 (N4)(N4) ]dddd

1

式中：N4

r-1

，为灵敏度因子和非显性因子。

r

d

四、电容式传感器的工作原理及结构形式

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

C

S O rS

（1-1）

式中：S——极板面积；

——极板间距离；

o——真空介电常数， o=8.85 10 r——相对介电常数；

——电容极板间介质的介电常数。

当极板面积S、极板间间距 保持不变，而插入相对介电常数为 r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。

-12

Fm-1；

C

oS

a-d

（1-2）

r

式中:S——测量电容的极板面积；

a——测量电容的极板间距离； d——插入电容的测量纸张的厚度； o——真空介电常数， o=8.85 10

-12

Fm-1；

r——纸张的相对介电常数；

五、电路原理分析

电路原理图

根据放大器原理可以得出E C0 U Cx 即U

C0

E Cx

U

C0C E1 E 0 [a ( 1)d] 即输出电压与纸张的厚度成线性比例关Cx 0S r

系。

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

当电容极板间没有放入纸张时，可以得到电容

8.85 10 12 9 10 4

Cx0 0.9PF 3

a8.85 10

0S

此时电压表输出电压为

U0

C01.5 E 5V 8.3333V 如图 Cx0.9

当极板间放入一张纸时，此时的电容为

Cx1

a （

0S r

1） d

8.85 10 12 9 10 4

F

1

[8.85 （ 1） 0.075] 10 3

3

8.85 9 10 13 F

2

8.85 0.075

3

0.905PF

输出电压为

U1

C01.5 E 5V 8.2873V 如图 Cx10.905

相对于没有放纸时的电压变化

U1 U1-U0 8.2873-8.3333 -0.046V -46mV

当极板间放入2张纸时，电容大小变为Cx2 0.9103PF 此时的输出电压为U2

1.5

5 8.2391V 如图

0.9103

相对于放一张纸时的电压变化

U2 U2-U1 8.2391-8.2873 -0.048V -48mV

若放入电容极板间的纸张的数目未知，设为N张 则电路的输出电压为

Ux

C0

ECx

C0 E1

[a ( 1)d N] 0S r

1

[8.85 ( 1) 0.075N] 10 3

1.5 5 V 12 48.85 10 9 10

8.85 0.05N 7.5 V 13

8.85 9 102525 N (V)5313

0.047N 8.3333(V)

此时相对没有放入纸张时的变化电压为

U Ux U0 0.047N 8.3333 8.3333 0.047N 47NmV

所以插入A4纸的张数为

N

U

47mV

因为电压表显示的是电路的有效电压值，所以输出电压是稳定的，在此绘制输出电压与插入纸张的线性特性曲线图。

由于输出电压与纸张的厚度成线性比例关系，所以其灵敏度为常数，也就是输出电压的特性曲线的斜率，即

U25

0.047V/张 灵敏度为 K N

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。

消除误差的方法有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。

六、测量结果

根据上述先行表达式，绘制下列一一对应表格

七、个人工作

本次课程设计，前两天我一边查询有关关于课题方面的资料，一边学习EWB软件的使用，之后我用EWB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。做好电容之后，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。 八、课程设计心得

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，经过两周的课程设计，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EWB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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9ncm.html