电容式称重传感器课程设计

东北石油大学 课程设计 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 2015 年 7 月 8 任务书 课程课程传感器课程设计传感器课程设计 题目题目电容式重量测量系统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：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：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：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 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； 1 传感器课程设计 目录目录 一一 、设计要求及用途、设计要求及用途 1 1 1、功能与用途 . 1 2、课题研究的意义 1 3、国内外发展现状 1 二、方案设计二、方案设计 2 2 方案一：电阻应变式称重传感器 . 2 方案二：电感式称重传感器 3 方案三：电容式重量传感器 3 三、电容式传感器工作原理三、电容式传感器工作原理 4 4 四、电路的工作原理四、电路的工作原理 5 5 五、单元电路设计、参数计算和器件选择五、单元电路设计、参数计算和器件选择 5 5 1、单元电路设计 5 2、器件选择 6 3、元器件清单 6 六、总结六、总结 7 7 2 传感器课程设计 电容式重量传感器设计 一 、设计要求及用途 1 1、功能与用途、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 2、课题研究的意义、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。 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 3、国内外发展现状、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 1 传感器课程设计 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、