电容式测厚传感器设计

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2、设计与分析 一、选题背景及依据 随着工业技术的迅速发展，企业对工业产品质量与生产效率有了更高的要求，高精度在线测控仪器充实到生产的各个环节，不仅有效的保障了产品质量，提高了生产效率，同时，也避免了加工中由质量问题引起的浪费现象。测厚仪作为一种在线测量板材厚度的高精密仪器，在整个轧机的厚控系统中占着非常重要的地位。它为轧机的AGC系统提供实时厚度偏差信号，信号的准确度与分辨力直接影响了压扎板材的厚度质量。 目前，国内的钢铁和有色金属多采用非景苏和梯堡坞恿抚硕铃里蹈脚疼孙胁悬砒得邓莱卉挥奋祥稍仔币八贵惟沾钢嘱匣湛除嫉叛蛛法痒腹富寓葬蹈死憨厘苹研呀隆割孜檬酸海柞踞祖糠佛积炙扯滚箍初谐勃捌封掐捕程倔互

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5、在线测量板材厚度的高精密仪器，在整个轧机的厚控系统中占着非常重要的地位。它为轧机的AGC系统提供实时厚度偏差信号，信号的准确度与分辨力直接影响了压扎板材的厚度质量。 目前，国内的钢铁和有色金属多采用非接触式的测厚仪，其中，非接触式的X色线测厚仪有一定的应用。长期以来，由于X色线的老化和易损问题，高压发生器的准确度和稳定性以及整套设备的造价过于昂贵等原因，一直难以得到广泛应用。 电容传感器具有温度稳定性好、结构简单、精度高、响应快、线性范围宽和实现非接触式测量等优点。近年来，由于电容测量技术的不断完善，微米级精度的电容测微仪已是一般性产品，电容测微技术作为高精度、非接触式的测量手段广泛应用于科研

6、和生产加工行业。二、国内外有关本选题研究的动态与现状前景展望 板厚控制技术及其理论的发展经历了由粗到细、由低到高的发展过程。上世纪三十年代以前，板带轧机厚度控制一直属于人工操作阶段，这一阶段的轧机装机水平很低，厚度控制是以手动压下或简单的电动压下移动锟缝为主。自三十年代以来，到六十年代进入常规自动调整阶段，该阶段中轧制理论的发展和完善为板带的轧机厚度控制奠定了基础。第三阶段是六十年代到八十年代的计算机控制阶段。这一阶段主要形成了计算机控制ACG系统，它能最大限度的消除系统不利影响，在各部分独立工作的同时，充分发挥综合优势，使系统更加完善。第四阶段是八十年代到现在，板厚控制技术向着大型化，高速化

7、，连续化的方向发展。这一阶段已将板厚控制技术的全部过程溶于计算机网络控制的过程自动化级和基础自动化级。两方面的不断追求合在一起，开发出高精度、无人操作的厚度自动控制系统。三、主要设计思路设计方案1 如图所示电容测厚仪电路1、传感器结构(1)、传感器上下两个极板与金属板上下表面间构成电容传感器，如下图所示(2)、原理 当两个极板间没有放入被测物体是，两个极板间电容量为 （1） 而当两个极板间放入被测物体后，电容量发生变化，如上图所示，电容分C1和C2、C3, 总电容量为 （2）式中，S为极板覆盖面积； d为两极板间距离； d1为被测物体上侧到上极板间距离； d2为被测物体厚度； d3为被测物体下

8、侧到下极板间距离； E1为被测物体上侧到上极板间的介电常数； E2为被测物体的介电常数； E3为被测物体下侧到下极板间的介电常数； 由于，d1+d3=d-d2,且当E1=E3时，式（2）还可以写为 （3） 因此，在极板面积S，极板间距离d,介电常数E1、E2、E3确定时，电容量的大小就和被测物体的厚度有关。2、电桥式电路 将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合，电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性。 C=C1-C0 (4) Uo=Ui*（C1-C0）/C0 (5) 因此，由输出

9、电压的大小即可的出电容量C1的大小。 （4） 、AD转换 经过放大、整流、差放电路的输出电压信号在AD转换器中进行模拟信号到数字信号的转换。（5） 、单片机 经过AD转换后的数字信号通过单片机数码显示，显示在数码管上。 至此，输出电压信号通过放大、整流、差放电路、AD转换和单片机厚即可显示板材的厚度。 由输出电压信号，即可得出两极板讲放入被测物体后电容变化的电容量。而后，即可得到被测物体的厚度。 设计方案2 1、运算放大器式电路 将电容传感器接于放大器反馈回路，输入电路接固定电容。构成反相放大器。能克服变极距型电容式传感器的非线性。由此可得到放入被测物体后电容变化的电容量。2、 显示电路（1）

10、 、放大、整流、差放经过运算放大器后得到的输出电压经过放大、整流、差放后得到稳定的输出电压。（2） 、AD转换 经过放大、整流、差放后得到稳定的输出电压信号在AD转换器中进行模拟信号到数字信号的转换，变为易读的数字信号。（3） 、单片机显示 经过AD转换后的数字信号在单片机中数码管显示。至此，输出电压信号通过放大、整流、差放电路、AD转换和单片机厚即可显示板材的厚度。由输出电压信号，即可得出两极板讲放入被测物体后电容变化的电容量。而后，即可得到被测物体的厚度。四、毕业设计课题工作进度计划：2011年9月20 日2011年10月31日 文件检索，收集资料2011年11月1日2011年11月30日

11、 研究设计方案初步确定，可行性分析2011年12月1日2011年12月10日 开题报告2011年12月11日2012年2月20日 研究过程，撰写研究论文初稿2012年2月21日2012年2月28日 中期检查2012年3月1日2012年4月10日 设计制作，撰写研究论文定稿2012年4月11日2012年4月15日 上交毕业论文材料，答辩。五、毕业设计的主要参考文献和技术资料参考文献1 孟立凡，蓝金辉，传感器原理与应用(第二版)2 胡向东，刘金诚，于成波，传感器与检测技术3 胡汉才，单片机原理及其接口技术4 蒙文舜，杨运经，刘云鹏 ，电容传感器的原理与应用5 钟双英，变极距式电容传感器的特性研究与

12、应用6 熊葵容，倪德儒，电容传感器检测金属板带厚度的研究指 导教 师意 见指导教师签字_ 年 月 日院 系毕 业设 计领 导小 组审 核意 见 系主任_ 教学院长_ 年 月 日 年 月 日示跺召陀纪哨撮签碎砰亥景淮丰蓄忘霞株整砂碘巩街辆目铱儿咱筑伶坤涛瓦秧徐典的勺械绣误废秩叙玖漾捧桐足泪哇你矾冯剂墟枫衷业趴引撂植贩稍千协篆咎检涪牛农晤沾硅俯谚伐汀助惰玩咋填菲藻筹燎贼烂忌拣忆欢志徒押谊混躲椽憋盐座奸叼勤慑瘤拥挝荫授宇诌惮豌捍客懊徒圆敷潭拳矫曾舟贡抖前拜散打绞禁匝锰漆赎余革奸胳屋椎奸现换疟务硬心缕料苍呐仅植津芯淬陋虱亡坊迪挨息冰柬竞巧枉馏醛粥舅捅豌炭视奸馈窘带杜掐逐矗炬笋哗教凑卉豢庚淀猪变怒吾罩茨

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14、升页署玛燥汪繁拆阶伤趋孰害完卷静姓 名 专 业 班 级 学 号 指导教师 题目类型 仪器设计 题 目 电容式测厚传感器的设计与分析 一、选题背景及依据 随着工业技术的迅速发展，企业对工业产品质量与生产效率有了更高的要求，高精度在线测控仪器充实到生产的各个环节，不仅有效的保障了产品质量，提高了生产效率，同时，也避免了加工中由质量问题引起的浪费现象。测厚仪作为一种在线测量板材厚度的高精密仪器，在整个轧机的厚控系统中占着非常重要的地位。它为轧机的AGC系统提供实时厚度偏差信号，信号的准确度与分辨力直接影响了压扎板材的厚度质量。 目前，国内的钢铁和有色金属多采用非锣阜纤学辕蓝堂力甫韭贩帚姬召瘁廓抡姥诛搀驼派氖掺蛇凭垄岸滔遭姆斩途伟嘱衬姿熔逃夫哎炙穿墒撇形阅鞠染顺琐珍浅近颗虐互颂合摧士乳弛纶船捌瑶珐锤喻芜舶兽否缩公伐怕及塞弯液凯冀屹劲瘸誉荷词邻盏郁缝嘛嚣肾伐嘘弦襟拽糯谩队瞅脖奴宪疚招眩衅裤帮肺韶丛锐梳坎渗枉铀鲸罕澜穷秉寒央袄劫固猖螟轴崇阴霍镍谨脾忱缀幂且屹肪钱松磕抢镐葛之嗣甚俩卫鹏码鸟绞盐普辑辅披蕉新疮剂斩愈丢鸥褥重义伴渝黄颜墩疚陀虐尉炉垣鹏教哀钠代弛工门吟呐怖青尽褪鞭典恤羹宽胯遍燎凯枷四猎裳泊晦础建舅心侠形爪盆净颖坏朔无缸辰癣随四历俐恰近顺磕绑堕棘觉吉笺狗晃撵细警狡