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(完整word版)传感器课程设计电容传感器
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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
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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学习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）；理论工作原理学习。
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。
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
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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
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摘要
第一章 、目的和研究的主要内容。
第二章 ，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
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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。
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2 电容传感器的结构设计
2。1 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），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
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(2—1）
式中,C：两极板间的电容（F）;
:真空介电常数，为8。854×10-12（F/m），空气的介电常数与真空近似；
:极板之间介质的相对介电常数;
s：极板的有效面积(m2）；
d：两极板间距（m）。
当被测量的变化能使式中d，S 或 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、 中的两个参数保持不变,，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。
1．改变极距型电容传感器
改变极距型电容传感器适用于测量微小的线位移，图2—1 ，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。
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2．改变面积型电容传感器
改变面积型电容传感器适用于测量角位移或较大的线位移,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s0（s0=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.
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3．改变介质型电容传感器
改变介质型电容传感器用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极间介质的介电常数的变化来测量温度、湿度、容量等。这种变介质型电容传感器的结构形式很多,图2—3 为检测电介质厚度的结构原理图。
图中待测物的厚度为x，相对介电常数为 。如果极板间的其它介质是介电常数为 的空气，此时总的电容量可写为
若厚度变化Δx，则电容变化ΔCx,那么可以推导得到电容相对变化量为
其中，
式(2-7）与式(2—3）的形式相同,只是多了一个随(d − x） x 变化而变化的系数Nx， （d − x） x 越小，则Nx 越大，传感器的灵敏度也愈大，但非线性越严重。
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由式（2—6）可见,当传感器面积s 和间距d 一定， x ε 也不变时，电容只随电介质厚度x 变化而变化，且x 与电容的倒数成线性关系。若经过一定的测量电路，将电容变化量转换成易于处理的电压、电流等电量变化,获得x 与电量之间的关系，电介质厚度的测量就可以实现了。
2。2 电容传感器在测厚方面的优缺点分析
电容传感器是用于非电量测量的三种经典式传感器之一，它用于介质厚度的测量时，具有如下优点:
1。 机械结构简单。可以不用有机材料和磁性材料构成，能经受相当大的
温度变化及各种辐射作用，因而可以在温度较高,有各种辐射等恶劣
环境下工作。
2. 易于实现非接触式测量。 以极板间的电场力代替了测量头与被测物的
表面接触，由于电场力极其微弱，不会产生迟滞和变形，消除了接触
式测量由于表面应力给测量带来的不利影响。
3。 动态响应速度快。系统固有频率高，可以直接用于某些生产线上的动
态测量.
4。 ,就能测量电容纸的的
，输入能量低，从而保证
了比较高的测量精度。
然而,电容传感器也有其自身的缺点，所以它的使用受到一定限制,主要原因有：
1。 输出阻抗高，负载能力差。电容量受电极的几何尺寸等限制,一般为
几个皮法到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高,易受外界干扰而产
生不稳定现象，所以设计时必须采取屏蔽等措施.
2. 寄生电容影响大。因为传感器的初始电容量小,而电子线路的杂散电
容、引线电缆电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等所谓
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