检测技术-电容式称重传感器课程设计要点

课程设计2013年4月5课程传感器课程设计题目电容式重量传感器设计院系电气信息工程学院专业班级学生姓名学生学号指导教师任务书课程传感器课程设计题目电容式重量传感器应用电路设计专业测控技术与仪器姓名学号主要内容：电容式重量传感器：设计的传感器根据受压不同，输出信号不同。本设计要求完成重量传感器的设计，采用电容式设计电路。电容式称重传感器的原理：电容式称重传感器是把被称物体重量转换为电容容量变化的一种传感器。通常为差动变间距电容式称重传感器，采用调频电路，实际上就是一个具有可变参数的电容器。基本要求：1、按照技术要求，设想不同的设计方案并进行比较。2、利用电容的特性设计出一种称重的应用电路。3、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图。完成期限指导教师专业负责人目录一、设计要求及用途..............................................1二、方案设计.....................................................1方案一：电阻应变式称重传感器...................................1方案二：电感式称重传感器.......................................2方案三：电容式重量传感器.......................................2三、电容式传感器工作原理.........................................3四、电路的工作原理...............................................3五、单元电路设计、参数计算和器件选择.............................31、单元电路设计................................................42、器件选择....................................................53、元器件清单..................................................5六、总结.........................................................6传感器课程设计1电容式重量传感器设计一、设计要求及用途设计的电容式重量传感器电路，当被称重物差动改变电容的间距而使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生相应变化，在鉴频器上变换为振幅的变化，经放大转换成一个直流的高电平信号输出，在称重仪表显示。要求设计的传感器具有结构简单，能实现非接触测量，适应性强，体积小，灵敏度高，分辨率高等特点。重量传感器主要应用在各种电子衡器、工业控制领域、在线控制、安全过载报警、材料试验机等领域。如电子汽车衡、电子台秤、电子叉车、动态轴重秤、电子吊钩秤、电子计价秤、电子钢材秤、电子轨道衡、料斗秤、配料秤、罐装秤等。二、方案设计目前称重传感器的敏感元件的类型主要有应变片、电容、电感等。针对敏感元件的不同可以将称重传感器的设计分为下面三种不同的设计方案：方案一：电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。公式电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广寿命长,结构简单，频响特传感器课程设计2性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱。图1应变式称重原理框图方案二：电感式称重传感器在电感式压力传感器中，首先用弹性元件将被测压力转换成弹性元件的位移，再用电学的方法将位移转换成自感或互感系数的变化，最后由测量电路转换成与被测压力成正比的电流或电压输出。电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。图2电感式称重原理框图方案三：电容式重量传感器电容式传感器是按照两块平行极板之间的极距、面积或介质的变化引起相应的电容的变化这一原理来称重的。电容式称重传感器主要是基于外加载荷改变电容平行极板的间隙来改变电容这一原理上的，在通过测量电路将电容的变化转换成频率量。电容式称重传感器有着自己独特的优点：能耗低，结构简单，环境适应力强，电路简单，输出数字信号，简化了二次仪表的开发，体积小，重量轻。同时也存在着一些缺点，本身工作电容较低，寄生电容有时大于工作电容，抗干扰能力差。近来科技的发展，使得电容传感器能与放大电路、振荡电路做在一起，减少了干扰和分布电容对之的影响，精度有所提高，使电容器愈来愈受到人们的关注。传感器课程设计3图3电容式称重原理框图三、电容式传感器工作原理电容式称重传感器的原理：电容式称重传感器是把被称物体重量转换为电容容量变化的一种传感器。通常为差动变间距电容式称重传感器，采用调频电路，实际上就是一个具有可变参数的电容器。当被称重物差动改变电容的间距而使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生相应变化，在鉴频器上变换为电压振幅的变化，经放大转换成一个直流的高电平信号输出，在称重仪表显示。这时，可以通过电压的变化测出相应的重量。四、电路的工作原理图4电容式称重传感器原理图电容式称重传感器是把被称物体重量转换为电容容量变化的一种传感器。通常为差动变间距电容式称重传感器，采用调频电路，实际上就是一个具有可变参数的电容器。若Cx1=Cx2,因两电容上叠加的交流电压值相等但相位相反，则U0=0。若Cx1≠Cx2，因两电容上叠加的交流电压值不等相位相反，则U0≠0，即桥路有输出电压。当被称重物差动改变电容的间距而使电容量发生变化时，R1前的电压变化，经过有A1构成的滤波器后，由A2和R3，R4，Rf构成的运算放大器进行放大，从而得到一个可用输出信号，根据输出电压的大小，可以计算出电容的变化量，进而测出所受重量。五、单元电路设计、参数计算和器件选择传感器课程设计41、单元电路设计（1）电容传感器转换电路图5转换电路图中Cx为电容传感器，差动接法时，若Cx1=Cx2,因两电容上叠加的交流电压值相等但相位相反，则U0=0。当受到重量作用时，电容的极距会发生变化，从而导致Cx1≠Cx2，因两电容上叠加的交流电压值不等相位相反，则U0≠0，即电路有输出电压。通过这种方法，可以将受力导致的电容的变化转换成相应的电压量的变化。（2）滤波电路图6滤波电路电路所示是一个反相输入的一阶低通滤波器，滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。(3)运算放大电路图7运算放大电路图中所示的是一个反相的运算放大电路，其作用主要是要将原输出信号进行传感器课程设计5适当的放大，以便更好的测量。电路的放大倍数为-Rf/R1，选择适当的电阻，即可得到想要的放大倍数。2、器件选择Rl-R4选用1/4W金属膜电阻器或碳膜电阻器。Rf1和Rf2选用超小型合成碳膜电位器或可变电阻器。Cx1、Cx2均选用耐压值为l6V的铝电解电容器，C选用高频瓷介电容器或玻璃釉电容器。变压器和可变电容器Cx1、Cx2构成电容传感器转换电路，将电容的改变值转换为电压值。R1、R2、Rf1、A1与C构成一阶低通滤波器。R4、R3、Rf2与A2构成运算放大器。3、元器件清单表1元器件清单编号名称型号数量Cx1可变电容1220u/10V1Cx2可变电容2220u/10V1C电解电容0.01u1R1固定电阻1680Ω1R2固定电阻2680Ω1R3固定电阻3680Ω1R4固定电阻4680Ω1Rf1可调电阻1200K1Rf2可调电阻2200K1传感器课程设计6六、总结随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、正确的称量，特别是随着微处理机的出现，产业生产过程自动化程度化的不断进步，称重传感器已成为过程控制中的一种必须的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。虽说电容式传感器有些缺点，例如输出具有非线性，寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度等。但是它的优点更为明显：功率小、阻抗高；静电引力小、动态特性良好；和电阻式传感器相比，电容式传感器本身发热影响小；可进行非接触测量；结构简单，适应性强，可以在温度变化比较大或具有各种辐射的恶劣环境中工作，因此电容式传感器具有很好的应用前景。在这次设计过程中，我查阅了好多资料，解决电容式测重的设计要求，在将电容的变化量转换为频率变化和频率/电压转换的过程中遇到了很大的困难，自己所学的知识不能解决这个问题，后来通过翻阅相关知识，才解决了这些问题。虽说这个课程对自己来说有些难度，但是通过它，我提高了自己自学的能力，了解了一些原来没有接触过的知识，收获还是挺大的。传感器课程设计7传感器课程设计8参考文献[1]黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用[M].北京：高等教育出版社，2004.38-50.[2]李刚，林凌.现代测控电路[M].北京：高等教育出版社，2004.50-62.[3]张洪润.传感器技术大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.[4]沙占友.集成传感器应用[M].北京：中国电力出版社，2005.25-44.[5]张福学.现代实用传感器电路[M].北京：中国计量出版社，1997.115-130.[6]张洪润.传感技术与应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.167-190.[7]施文康，余晓芬.检测技术[M].北京：机械工业出版社，2010.210-218.[8]孟立凡.传感器原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2005.68-83.课程设计成绩评价表指导教师：年月日