电容式称重传感器课程设计

东北石油大学课程设计2015年7月8课程传感器课程设计题目电容式重量测量系统设计院系电气信息工程学院专业班级测控技术与仪器12-2学生姓名学生学号指导教师邹彦艳刘继承任务书课程传感器课程设计题目电容式重量测量系统专业测控技术与仪器姓名桂存斌学号120601240210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。电容式称重传感器是要求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，要求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。主要参考资料：[1]黄贤武.传感器原理与应用[M].北京：高等教育出版社，2004.3.[2]李刚，林凌.现代测控电路[M].北京:高等教育出版社，2004.5.[3]孟立凡，郑宾.传感器原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2005.6.[4]沙占友.集成传感器应用[M].北京：中国电力出版社，2005.12完成期限2015.7.4—2015.7.8指导教师专业负责人2015年7月1日传感器课程设计1摘要电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器，由于这种传感器具有结构简单，适应性强，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、检测领域。此文就以电容式重量传感器来研究。本文介绍了电容式重量传感器的结构，以及其测量电路，分析电容称重传感器的特性和相关参数选取，通过一系列的资料查询所得结果表明该电容式重量传感器具有很好的稳定性、重复性和无滞后性，具有一定的实用价值。关键词：电容式传感器；称重；差动；放大；传感器课程设计2目录一、设计要求及用途............................................................................................11、功能与用途...........................................................12、课题研究的意义......................................................13、国内外发展现状......................................................2二、方案设计..........................................................................................................3方案一：电阻应变式称重传感器.........................................4方案二：电感式称重传感器..............................................4方案三：电容式重量传感器..............................................4三、电容式传感器工作原理..................................................................................5四、电路的工作原理..............................................................................................6五、单元电路设计、参数计算和器件选择..........................................................71、单元电路设计................................................................................................72、器件选择........................................................................................................83、元器件清单....................................................................................................8六、总结..................................................................................................................8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1、功能与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。2、课题研究的意义称重计量技术的应用领域，已经遍及冶金、交通、铁道、电力、建材、化工、轻工等部门。在生产过程或工艺流程中，对各种配料称重、定量称重及现场称重技术的要求越来越高。现代的称重计量仪器或衡器，不仅要作为过程检测系统中的一个单元而具有测量、计算、控制、检验及通讯等功能。它们已成为工艺技术、预包装技术、收发货业务及商业销售行业中必不可少的组成部分，推进了工业生产和贸易交往的自动化和合理化。本文主要是针对称重传感器进行介绍。称重传感器在工业过程检测和商贸结算等方面，作为电子衡器的心脏部件而倍受重视。传统的称重传感器主要有压电式、压磁式、电阻应变式等几种。压电式称重传感器是利用压电材料的压电效应，当有外力作用在压电元件上，就有电压（或电荷）输出。压电式传感器形小体轻、工作频带较宽、机械强度高、刚性大、工作变形小，绝缘强度高，广泛用于机床切削力、机械振动、冲击等领域的测量。但由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，这就要求测量电路的输入阻抗近乎无限大，这很难实现。且输出能量小，低频特性比较差，只适合于各种动态力的测量。传感器课程设计2压磁式称重传感器的工作原理是利用铁磁材料（如镍、铁镍、铁硅合金等）的压磁效应工作的。即当被测力作用在铁磁材料上时，铁磁材料在产生机械变形和内应力的同时，铁磁材料的磁导率也发生变化。如果铁磁材料上绕有线圈的话，将引起铁芯中的磁阻变化，从而导致自感或互感的变化，相应的输出电势也随被测力的大小而变化，通过测量电路，就可测出力的大小。压磁式传感器抗干扰能力强，过载能力大，对运行条件的要求低，能在较差的环境条件（灰尘、水和腐蚀性气体、温度湿度较恶劣）下工作，在冶金、矿山、化工领域有广泛应用。但长期稳定性和线性差。3、国内外发展现状电阻应变式称重传感器是现阶段应用最广、性能稳定、精度高、技术成熟的称重传感器。它是利用金属的应变效应或半导体的压阻效应进行转换的，在被测力Ｐ的作用下，弹性体发生形变带动附在其上的应变片发生形变，对应产生电阻的变化，电阻的变化反映Ｐ的大小。这种传感器具有体积小、反应快、线性好、重复性好、使用方便等优点。但该传感器模拟电压输出信号，能量低，需放大电路和转换电路，相应成本增加。这些传感器都是模拟式的，即把待测力转换成与之成确定关系的电学量。称重传感器是电子称重的核心部件，从原理上分为电阻应变式、压磁式、振弦式等。电阻应变式称重传感器因制作简单、工艺成熟、准确度高（最高准确度目前可做到非线性、重复性、滞后指标优于0.01%），占据着称重传感器90%以上的市场份额。电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下质量或力的测量，在工业生产过程检测、控制、自动称量等领域已大量应用。随着工业控制系统向数字化发展，近几年来数字式称重传感器被开发并已得到应用，数字式称重传感器可由微处理器对常规桥路进行补偿和调整，进行非线性、滞后、蠕变等性能的修正，从而大大提高称重传感器的性能。由于它直接输出数字量，大大提高了传输中的抗干扰能力，并使得与计算机的通信极为方便。由于取消了仪表中的模拟放大、转换等环节，使仪表大为简化.压磁式称重传感器的代表厂家是ABB公司，该传感器输出功率大，过载能力强，可在高温、潮湿、多尘等恶劣环境条件下长期工作。振弦式称重传感器的代表厂家是瑞士哈斯勒公司，该公司采用的ＳＦｒ振弦式称重传感器的电子皮带秤已在国内有较多用。这种称重传感器的特点如下：重复性、线性用了低漂移高增益放大器、高分辨率Ａ／Ｄ转换器、闪存、电可擦存储器和非易失性随机存储器、通信标准、现场总线等技术，使其性能和功能都有了很大提高。同时，还应用了∑一△调制型模数转换器和传感器课程设计3印刷电路板的表面安装等新技术。这些新技术的采用，进一步提高了称重仪表的性能和可靠性，并为仪表小型化创造了有利条件。在性能上已能做到：非线性优于0.01%，灵敏度优于0.2，A/D转换速度一般为10-30次／ｓ，用于动态称重时可达100以上。功能上包括：各种参数的设定，如分度值、量程、校准参数、计算系数、皮重等设定；零点自动跟踪；自动去皮；量程自动校准；动态检测；开机自检和故障诊断；停电数据保护；超载报警；非线性补偿；满刻度的0.01％，稳定性为0.03％，与电阻应变式称重传感器的指标大体相当；微小的被测力变化可产生较大的频率变化，分辨率高达百万分之一，灵敏度高；直接数字称重，被处理的信以及毛重、净重、皮重和累加值的显示等。为了便于与计算机通信，现在的称重仪表都配有输入／输出接口，如RS-232c,RS-485.20mA电流环、模拟量（4.20mA）以及继电器输出等。为了适应各种应用的需要，当前称重仪表发展的一个趋势是：通过硬件或软件的积木式组合来实现不同的功能需求。称重仪表另一个发展趋势是小型化。小型或微型仪表主要用于小号及输出信号都是数字信号，处理过程无Ａ／Ｄ、ⅣＡ转换，运算精确度高；抗电气干扰、抗振动干扰能力强；传感器内装有温度传感器，温度补偿灵敏度可达0.0001%。Ｃ；非位移式测量原理，测量过程几乎无位移发生，不影响秤架的校准状态；有动态过载保护装置；最多15台传感器可在同一根串行总线上传递信号，最大传送距离为500ｍ，因此，这种称重传感器是未来传感器发展的一个方向。单杠杆式秤架只有一组称量杠杆，其上支撑了一组或几组称量托辊，秤架通常由称量杠杆、支点、平衡重物等组成，但称量准确度不高，精度通常为１％一２％。双杠杆式秤架由对称的两组称量杠杆组成，每组称量杠杆上支撑了一组或几组称量托辊，秤架结构复杂，秤体庞大，但它的两组称量杠杆在称量过程中可以抵消一些水平分力（如皮带张力、皮带跑偏引起的侧向力）对称量精确度的影响，所以秤架性能稳定，称型生产设备和移动的称重系统中，例如定量包装秤、叉车秤、货车秤、可移动的台秤等二、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：传感器课程设计4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