課程設計---電容傳感器測紙張厚度

1、<p><b>　　目錄 </b></p><p>　　摘要--------------------------------------2</p><p>　　一、設計要求------------------------------3</p><p>　　二、EWB軟件的使用-------------------------3<

2、/p><p>　　三、相關器件介紹及靈敏度------------------3</p><p>　　四、電容式傳感器的工作原理及結構形式 -----5 </p><p>　　五、電路原理分析--------------------------6</p><p>　　六、測量結果----------

3、-------------------11</p><p>　　七、個人工作-----------------------------11</p><p>　　八、課程設計心得-------------------------11</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　傳感器技術是現(xiàn)代信息技術的主

4、要內容之一。傳感器是將能夠感受到的及規(guī)定的被測量按照一定的規(guī)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(jù)可以把電容傳感器分為極

5、距變化型電容傳感器、面積變化型電容傳感器、介質變化型電容傳感器。根據(jù)實際不同的需求，可以利用不同的電路來實現(xiàn)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(tài)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(tài)響應特性；（3）本身發(fā)熱影響?。?）可進行非接觸測量。紙張厚

6、度測量是基于變介電常數(shù)電容傳感器的一種精密測量，它可以實現(xiàn)簡單的厚度測量，根據(jù)電容電路的特性</p><p>　　關鍵字：電容傳感器 敏感元件 高阻抗 紙張厚度測量 </p><p><b>　　一、設計要求</b></p><p>　　利用變介電常數(shù)電容傳感器為基本的控制核心，實現(xiàn)簡單的紙張厚度的測量的功能。</p><p

7、><b>　　EWB軟件的使用</b></p><p>　　Electronics Work bench(簡稱EWB)，中文又稱電子工程師仿真工作室。</p><p><b>　　使用步驟：</b></p><p>　　●　放置器件，并調整其位置和方向</p><p>　　●　設置器件屬性　

8、 ●　連接電路 ●　觀察實驗現(xiàn)象，保存電路及仿真結果</p><p><b>　　三、相關器件介紹</b></p><p>　　所需元件清單：1）信號發(fā)生器（5V交流電源，頻率100HZ）</p><p>　　2）儀用放大器AD620一個 </p><p>　　3）1.5PF電容一個

9、</p><p>　　4）自制0.9PF電容一個</p><p>　　5）電壓表一個0-10V</p><p><b>　　6）開關一個</b></p><p><b>　　7）A4紙若干張</b></p><p>　　信號發(fā)生器：信號發(fā)生器是一種能提供各種頻率、波形和輸出電

10、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(fā)生器可以后的測量電路所需要的100HZ、5V的電壓。</p><p>　　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。</p><p><b>　　自制電容參數(shù):</b></p><p>　　極板面積9，極板間距近似a=8

11、.85mm，網(wǎng)上查詢資料得紙張的相對介電常數(shù)=2~4，本說明中取居中=3，紙張厚度 d=0.075mm，自制電容如下圖所示。</p><p>　　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(tài)靈敏度，靈敏度表達式</p><p>　　對于線性傳感器，其靈敏度為常數(shù)，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 </p&

12、gt;<p>　　一般要求傳感器的靈敏度較高并在滿量程內是常數(shù)為佳，這就要求傳感器的輸出輸入特性為直線（線性）。</p><p>　　自制電容的相對變化量：</p><p>　　式中：，為靈敏度因子和非顯性因子。</p><p>　　四、電容式傳感器的工作原理及結構形式</p><p>　　電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳

13、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</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p>　　式中：S——極板面積；</p><p><b>　　——極板間距離；</b></

14、p><p>　　——真空介電常數(shù)， =8.85；</p><p><b>　　——相對介電常數(shù)；</b></p><p>　　——電容極板間介質的介電常數(shù)。</p><p>　　當極板面積S、極板間間距保持不變，而插入相對介電常數(shù)為的介質，此時構成的電容傳感器為變介電常數(shù)電容傳感器，保持介電常數(shù)不變而改變介質的厚度，如下圖所

15、示。</p><p>　　（1-2） </p><p>　　式中:S——測量電容的極板面積；</p><p>　　a——測量電容的極板間距離；</p><p>　　d——插入電容的測量紙張的厚度；</p><p>　　——真空介電常數(shù)， =8.85；</p><p>　　——紙張的相對

16、介電常數(shù)； </p><p><b>　　五、電路原理分析</b></p><p><b>　　電路原理圖</b></p><p>　　根據(jù)放大器原理可以得出 即</p><p>　　即輸出電壓與紙張的厚度成線性比例關系。</p><p>　　因為輸入電壓為交流電源，輸出電

17、壓為交流電壓的有效值，則根據(jù)以上公式帶入測量參數(shù)得</p><p>　　當電容極板間沒有放入紙張時，可以得到電容 </p><p>　　此時電壓表輸出電壓為</p><p><b>　　如圖</b></p><p>　　當極板間放入一張紙時，此時的電容為</p><p><b>　　輸出

18、電壓為 </b></p><p><b>　　如圖</b></p><p>　　相對于沒有放紙時的電壓變化</p><p>　　當極板間放入2張紙時，電容大小變?yōu)?lt;/p><p>　　此時的輸出電壓為 如圖</p><p>　　相對于放一張紙時的電壓變化</p>&l

19、t;p>　　若放入電容極板間的紙張的數(shù)目未知，設為N張</p><p><b>　　則電路的輸出電壓為</b></p><p>　　此時相對沒有放入紙張時的變化電壓為</p><p>　　所以插入A4紙的張數(shù)為</p><p>　　因為電壓表顯示的是電路的有效電壓值，所以輸出電壓是穩(wěn)定的，在此繪制輸出電壓與插入紙張

20、的線性特性曲線圖。</p><p>　　由于輸出電壓與紙張的厚度成線性比例關系，所以其靈敏度為常數(shù)，也就是輸出電壓的特性曲線的斜率，即</p><p><b>　　靈敏度為 </b></p><p>　　誤差分析：由于沒有進行實際電路操作，故沒有辦法進行誤差分析。</p><p>　　消除誤差的方法有1、消除和減少邊緣效

21、應（設計帶保護環(huán)的電容傳感器）；</p><p>　　2、提高設計結構的絕緣性能；</p><p>　　3、消除和減少寄生電容的影響</p><p>　?、僭黾觽鞲衅鞯脑茧娙葜担?lt;/p><p><b>　?、诩苫?lt;/b></p><p><b>　?、圻\算放大器法；</b&

22、gt;</p><p>　　④采用“驅動電纜”技術。</p><p><b>　　六、測量結果</b></p><p>　　根據(jù)上述先行表達式，繪制下列一一對應表格</p><p><b>　　七、個人工作</b></p><p>　　本次課程設計，前兩天我一邊查詢有關關于課

23、題方面的資料，一邊學習EWB軟件的使用，之后我用EWB軟件仿真模擬了調頻測量電路、交流電橋測量電路、運算放大器式測量電路二極管雙T型交流電橋，由于我個人能力有限，在調試測量電路時，發(fā)現(xiàn)輸出的電壓有很大區(qū)別，綜合各方面的考慮，最終選擇了簡單方便的運算放大器測量電路。確定好電路之后，我開始對電路參數(shù)進行調試，并運用課本知識計算自制電容大小，什么樣的、多大的電容合適。做好電容之后，開始分析電路，得出處理方法和結果，最后撰寫課程設計說明書。&l

24、t;/p><p><b>　　八、課程設計心得</b></p><p>　　課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，經過兩周的課程設計，鍛煉了我運用課本基礎理論基礎與解決實際問題相結合的能力，鍛煉了我的動手操作能力，使我對課本的基礎知識有了更深一步的了解，也使我熟悉了EWB軟件和mathtype軟件的使用，使我以后可以利用此軟件模擬課本自己不懂的電路，為以后的學習打