传感器综合运用
一、设计题目
如图所示工件，在生产线的30°滑道上自上而下滑落，要求在滑动过程中检测工件厚度，并且计数。图中4mm尺寸公差带为10μm。
图1.测量工件
二、厚度检测传感器的选择
电容传感器是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。与电阻式或电感式传感器相比，电容传感器具有四大优点:
(l)分辨力高，常用于精密测量;
(2)动态响应速度快，可以直接用于某些生产线上的动态测量; (3)从信号源取得的能量少，有利于发挥其测量精度;
(4)机械结构简单，易于实现非接触式测量。因此电容传感器在精密测量中占有重要的地位。
此外，电容器传感器还具有结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等优点。
因此，在本题中选择电容传感器作为厚度检测传感器。
三、电容传感器的检测原理
电容式传感器可分为面积变化型、极距变化型、介质变化型三类，下面将分述其检测原理。
1、面积变化型电容传感器
这一类传感器输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。测量装置如图2所示。
图2.变面积式电容传感器
其电容量计算公式为：
?C?Cx?C0?2??(l??l)2??l2???l?l?????C0
ln(r2r1)ln(r2r1)ln(r2r1)l式中 L－外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度 r2,r1?外圆筒内半径与内圆柱外半径 灵敏度
C?C2??????0?lln(r2r1)l
2、极距变化型电容传感器
极距变化型电容传感器一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等
引起的极距变化。测量装置如图3所示。
图3.变极距式电容传感器示意图及其特性曲线
其电容量计算公式为：
C0??0?rSd
式中 S－极板相对覆盖面积；
d －极板间的距离；
ε0－真空介电常数，ε0 =8.85×10-12F.m-1 εr －极板间介质的相对介电常数； ε－介电常数，ε = ε0 εr 。 灵敏度S??CC0? ?dd?C?d??100àd
非线性误差：??3、介质变化型电容传感器
这种传感器由一对互相平行的金属极板A、B组成，其相对面积为S，极板间隙为δ，两极板间放置有厚度δx的金属待测工件。测量装置如图4所示。
图4.变介电常数式电容传感器
其电容量计算公式为：
111??CC1C2
式中 C—总的输出电容量(F)；
又
C1C2—以待测工件为介质的电容量(F)； —以空气为介质的电容量(F);
C1?所以得到，
εSε1SC2?0δx，δ?δx
C?式中:S—极板相对面积;
S
(δ?δx)/ε0?δx/εε0—空气介质常数，8.85?10?12F/M;
ε—待测工件介质介电常数;
δ—两极板间距；
δx—非金属薄膜介质的厚度。 灵敏度
?C??r1?N2[]，可以看出?x/(a-?x)越大， ?r越小，
??rC?r1?N3()?r灵敏度越大，非线性越小。
当待测工件进入电容两极板后，改变了δx范围内的介电常数，从而改变了电容量。这样电容量C与待测工件厚度δx形成了确定的关系，这就是变介电常数式电容传感器测厚的基本原理。
四、电容传感器的设计
电容传感器为两圆柱形测量头，以其两个端面分别作为电容的一极，两者之
间形成电容C。若把它看作平行板电容器，则电容器两极板之间的电力线明显地要产生边缘效应。要使C 与间距δ之间的关系按无穷大平行板电容器来处理，传感器结构上需采取较为特殊的设计。即在测量头外面加一测头保护层，保护屏蔽层与测量头之间电绝缘。传感器采用4Cr13 制作，因4Cr13 的线膨胀系数较低。绝缘层是聚四氟乙烯材料，它的绝缘强度非常高。保护层接电源地。接地后此保护层有利于克服测量头与周围导体的寄生电容的影响，防止外来信号的干扰。与传感器连接的电缆线采用低噪声的同轴屏蔽电缆。由于连接测量头的电缆、屏蔽层与测量头之间形成的电容很大，将把待测电容全部淹没，无法将有用信号拾取出来，而电容传感器的电容很小，又是高阻抗元件，所以测量头屏蔽和传输电缆电容的影响问题是电容传感器的技术关键，因此对传感器需采取屏蔽、在测量线路的前置级需采取驱动电缆技术。
五、测量电路
电容式传感器的常用测量电路有变压器电桥电路，差动脉冲调制电路，双T桥电路，运算放大器是电路，此外电容式传感器的测量电路还有普通交流电桥电路和紧耦合电感臂电桥电路等。由于运算放大器的放大倍数K非常大, 而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。此处选用该种测量电路。测量电路图如图5所示。
图5.电容式传感器测量电路
由运算放大器工作原理可得
C0?U0??Ui
Cx?式中： Cx为电容式传感器U0是输出信号电压
C0为固定电容Ui是交流电源电压 如果传感器是一只平板电容,则Cx=εS/d , 代入上式, 有U0??Ui????C0d。 ?S此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，但要求Zi及K足够大。为保证仪器精度, 还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定。
六、测量方案简图
采取以上措施以后，再经过传感器线性校正以后，其测量误差可以达到0.001‰，即测量4mm的工件最大测量误差在4~5μm左右，满足测量要求。测量方案简图如下：
图6.测量方案简图
七、计数器的设计
哈工大测试大作业——传感器综合运用——题目四全解
