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1、智能仪器课程设计报告书课程名称：智能仪器设计题目电容式传感器的位移特性实验学院：电气学院专业：测控技术与仪器班级：BG0XX组员：XXXXXXXXXXXX仪器仪表式获取信息的工具，式认识世界的手段。它是一个具体的系统或装置。 它最基本的作用是延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。随 着科学技术的不断发展，人类社会已经步入信息时代，对仪器仪表的依赖性更强，要 求也更高。现代仪器仪表以数字化、自动化、智能化等共性技术为特征获得了快速发 展。关键词：智能仪器、微型计算机AbstractInstrument information access tool, a means of un
2、derstanding the world style. It is a specific system or device. It is the most basic role is to extend, expand, complement or replace human auditory, visual, tactile and other organ functions. With the continuous development of science and technology, mankind has entered the information age, more de
3、pendent on the instrument, demanding more. Modern instrumentation to digital, automatic and intelligent features such as access to common technologies for the rapid development.Keywords: Intelligent instruments, micro-computer摘 要IABSTRACTIII第1章 电容式传感器11.1电容式传感器工作原理11.2电容式传感器的结构类型21.3电容式传感器的优缺点2第2章电容
4、式传感器的位移特性实验42.1实验目的42.2基本原理42.3需用器件与单兀42.4实验步骤52.5 A/D 转换6课程设计小结7参考文南犬8第1章电容式传感器1.1电容式传感器的工作原理两块极板之间的间隙变化，或是表面积变化，将使电容量改变，根据这 一原理制成的传感器称为电容式传感器。电容量和两个极板的间隙、表面积之间的关系可用下式表示：式中，C :电容（微微法）； :极板间介质的介电常数，空气的 = 1；Sb:两个极板相互覆盖的面积（cm2）；d :两个极板间的距离（cm?）；e r:相对介电常数；e0:真空介电常数；e0= 0.088542*10-12 F/cm。由式可见，在3个参数中，
5、只要改变其中一个参数，即可使电容C发 生变化。如果保持其中两个参数不变，就可把另一个参数的单一变化转 换成电容量的变化，即可以把3个参数中的任意一个的变化转换成电容C 的变化。这就是电容式传感器的基本工作原理。1.2电容式传感器的结构类型根据工作原理，在实际应用中，电容式传感器一般可分成如下3种类 型： 可以改变两极板间的距离d ； 可以移动极板，以改变极板间相覆盖的面积S ； 可以改变极板间的介质，以便介电常数 发生变化。这3类常见的电容式传感器的主要结构形式分为改变极板覆盖面、改变 极板间距离和改变介质3组，每组又依运动件的平移（直线运动）或角 位移（旋转）分类。对于1、2组，每类又依电容
6、器的形状分成平面形或 圆筒形。电容式传感器的组成可有单片单组、差接组和多片单组等组合 方式。1.3电容式传感器的优缺点及一些特殊问题优点动作能量低（极板间静电吸引力约几个10 5C）,动作响应快（固有频 率高，载波频率高），本身发热影响小（用真空，空气或其他气体作绝缘介 质时），灵敏度高，误差小，能在恶劣的环境下工作（如在高温，低温及 强辐射等各种环境下）。因此，该传感器近几年来得到了较快的发展，逐 渐广泛地应用在工业自动化仪表中。缺点（1）其输出特性式非线性的。对于改变极板距离的电容传感器。电容量和 极板间距离是非线性关系，虽然用差动式结构可以使其得到改善，但是 由于存在泄漏电脑和不可避免的
7、不一致性，也不可能完全消除特性的非 线性。(2)泄漏电容的影响，传感器的电容量及其变化一般小于电容量，泄 漏电容量式由支持构建及连接电缆所引起。这些泄漏电容不仅降低了转 换效率，还将引起误差。但是，利用电缆屏蔽层的点位跟踪与电缆相连 接的可动极板的点位，或将信号处理的电子线路安装在非常靠近的地方， 皆可消除泄漏电容的影响。由于上述特点，目前电容式传感器通过改变d和s,在对位移(直线 和转角)，压力，振动等的检测方面获得一定的应用。例如，利用改变介 电常数 的方法可以检测密闭容器中的液位，不到点松散物质的料位， 非导电材料的厚度，非金属材料涂层等。第2章电容式传感器的位移特性实验2.1实验目的了
8、解电容式传感器结构及其特点。2.2基本原理利用电容C = A/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路 可以选择、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一 个参数，则可以有测谷物干燥度变)、测位移(d变)和测量液位(A 变)等多种电容传感器。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构 的电容式位移传感器，如下图所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。 设圆筒的半径为R;圆柱的半径为r；圆柱的长为x,则电容量为C= 2 x/ln(R/r)。图中Cl、C2是差动连接，当图中的圆柱产生AX位移时, 电容量的变化量为AC=C1-C2= 2 2AX/ln(R/r)，式中 2、ln(R / r
9、)为常数，说明AC与位移AX成正比，配上配套测量电路就能测量位移。2.3需用器件与单兀主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。2.4实验步骤1、测微头的使用和安装参阅实验九。按图1将电容传感器装于电容传感 器实验模板上并按图示意接线（实验模板的输出V01接主机箱电压表的 Vin）o2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：逆时针转到底再顺时传3 圈）。3、 将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到档，合上主机箱电 源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示Ov , 再转动测微头（同一个方向）5圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值 为实验起点值。以后，反方向每转动测微
10、头1圈即AX= 0.5mm位移读 取电压表读数（这样转10圈读取相应的电压表读数），将数据填入表1并 作出X V实验曲线（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回 差）。4、根据表1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差（5。实 验完毕，关闭电源。+12VoR1N4148M02lN4l48f100 L 止 50pTR2 n 1N4148710K *o.iuF0.0 luFO.luFLimi/CXiRW -I5V GND+15V410801 CX2图1电容传感器位移实验接线 图2.5 A/D转换A/D转换器(也称”ADC”)是将模拟量转化为数字量的器件,这个模拟量泛指电压, 电阻，电流，
11、时间等参数，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的.在数字系统中,数字量 是离散的,一般用一个称为量子Q的基本单位来度量例如，一个N位二进制数，共有 N=2n个离散值，定义基本度量单位Q等于满量程模拟量的l/2n模拟量的量化就是算 出模拟量有多少个Q,并用2N个离散电平中最为近似的一个电平来代替.A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平1. 分辨率A/D转化器的分辨率定义为A/D转换器所能分辨的输入模拟量的最小变化量, 可以用输入量程值的百分比表示2. 转换时间A/D转换器完成一次转换所需要的时间定义为A/D转换时间.转换时间与时间 转化所采用的电路技术有关.3. 精度(1) 绝对精度:
12、定义为对应于生产一个给定的输出数字码，理想模拟输入电压与实际 模拟输入电压的差值.(2) 相对精度(3) 偏移误差(4) 增益误差(5) 积分线性误差(6)微分线性误差课程设计小结作为大三学生。我们觉得做智能仪器课程设计是十分有意义的，而 且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。 我们在课堂上掌握的是仅仅是专业课的理论知识。如果去锻炼我们的实 践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？我 想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。刚开始前我们四个人还在为到底选那个课题而发生分歧，最后还是 在协商下完成了课题的选定，但是随之而来的问题却远比我们想想
13、的要 困难的多。作为一个团队，分工就显得尤为重要，在组员纷纷完成了初 步的工作后，我们自信满满的来到了实验室准备调试，但第一次就给了 调试的结果不是很理想，于是我们就拿着实验模块反复分析和修改，还 对电路模块进行了修改，经过一次次的尝试之后我们把问题慢慢的解决 了，然后我们就针对这部分模块进行了深入思索和修改，才能完成这次的 课程设计！在做本次课程设计的过程中。我印象最深的当属查阅大量的设计资 料了。为了让自己的设计更加完善。查阅这方面的设计资料是十分必要 的。同时也是必不可少的。我们是在做智能仪器课程设计，但我们不是 艺术家，他们可以抛开实际心情在幻想的世界里翱翔，而我们一切都要 有据可依，
14、有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级 为设计。最后，要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所 用传感器的结构有一个系统的了解，知道该传感器内有哪些资源，要有 一个清晰的思想和一个完整的软件流程图；在设计程序时，不能亡想一 次就将整个程序设计好，反复修改，不断改进是程序设计的必经之路。另外，这次课程设计让我感到了团队合作的重要性。在团队中，我们 互帮互助。对整个课程设计来说，这是至关重要的，缺少每一个人都会 对我们的设计产生影响，还有要感谢指导老师在我们遇到困难时，给予 我们的建议与鼓励。这周的课程设计结束了。但是从中学到的知识会让我受益终身。发 现，提出，分析，解决总是和实践能力的提高都会受益于我在以后的学 习，工作和生活中。参考文献1 胡向东，刘京诚主编传感技术M 重庆：重庆大学出版社，20062 刘迎春等主编现代新型传感器原理及应用M 北京：国房出版社，19983 余成波等主编传感器与自动检测技术M 北京：高等教育出版社，20044 陈杰等编著传感器与检测技术M 北京：高等教育出版社，20035 常健生主编检测与转换技术（第三版）M 北京：机械工业出版社20046 马西秦主编.自动检测技术M 北京：机械工业出版社，20047 强锡富主编传感器（第三版）M 北京：机械工业出版社，2004
