虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用
出處：曹英榮 周莉萍 徐龍 發(fā)布于：2007-09-24 10:25:29
摘要: 結(jié)合虛擬儀器和電容式傳感器測量技術(shù),設(shè)計了一種虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng)。本文介紹了該系統(tǒng)的各個組成部分,包括電容式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、檢測電路的參數(shù)設(shè)置、在LabV IEW開發(fā)環(huán)境下虛擬儀器平臺的構(gòu)建等。,將系統(tǒng)應(yīng)用于金屬位移及膏布藥層厚度的檢測,給出了實驗方案,取到了令人滿意的效果。
關(guān)鍵詞: 電容式傳感器; 檢測系統(tǒng); 虛擬儀器
引 言
電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、易實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點。雖然易受外界干擾和寄生電容的影響,但隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,以及驅(qū)動電纜技術(shù)的出現(xiàn),這些缺點正逐步被克服,可用于激光法、超聲波法等測量手段所不能完成的許多場合。另外,虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)今計算機輔助測試(CAT)的重要手段,集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出等功能,使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計算機軟件所代替,具有靈活性、開放性、低成本、高效率等優(yōu)點,是未來測量儀器設(shè)計發(fā)展的方向。
為此,本文將現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)與電容式傳感器測量技術(shù)結(jié)合,設(shè)計出一種虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng),可用于金屬位移或非金屬材料涂層厚度的測量。該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo):選用不同直徑的傳感器,可測量金屬位移的范圍為0～6000μm,分辨力達到0.3μm,線性度優(yōu)于3%;測量非金屬材料涂層厚度時,在0～5 g/100cm2 的范圍內(nèi),測量誤差小于0.1g。
1 虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng)的組成
整個檢測系統(tǒng)主要由電容式傳感器、測量電路以及虛擬儀器平臺這三大部分組成。具體的原理框圖如圖1 所示。
圖1 檢測系統(tǒng)原理框圖
1. 1 電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計
由物理學(xué)可知,電容器的電容量與構(gòu)成它的兩極片形狀、大小、相互位置及電介質(zhì)介電常數(shù)有確定的函數(shù)關(guān)系。以平行板電容器為例,當(dāng)不考慮邊緣電場影響時,電容量Ct 為
式中Ct 為兩極板間的電容, F;ε0為真空介電常數(shù), 為8. 854 ×10-12F/m,空氣的介電常數(shù)與真空近似;εr為極板之間介質(zhì)的相對介電常數(shù); S為極板的有效面積,m2 ;d為兩極板間距。
當(dāng)被測量的變化能使式中d,S或εr 任一參數(shù)發(fā)生改變時,電容量Ct 也就隨之變化, 再通過一定的測量電路轉(zhuǎn)化為電量信號輸出,即可根據(jù)輸出的電信號判定被測物理量的大小。然而,公式(1)是在平行極板面積為無限大,忽略邊緣電場及其他干擾的理想情況下給出的, 實際中, 電容量Ct很小,只有幾個皮法,受邊緣電場及其他寄生電容的影響較大。為消除和減少這些影響,并綜合成本及性能的考慮,利用有限元軟件計算仿真,對傳感器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,通過實驗比較,終,設(shè)計了具有五層結(jié)構(gòu)的圓筒平板型電容式傳感器。整個測量頭包含3個同軸金屬層和2 個絕緣層,如圖2所示。
圖2 電容式傳感器結(jié)構(gòu)剖面圖
圖2中,傳感器測量頭電極選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金材料加工而成,有效直徑根據(jù)需要而定。內(nèi)外絕緣層均為聚四氟乙烯,厚度約為0.2mm。中間保護層接儀器地,用來克服測量頭與周圍導(dǎo)體的寄生電容的影響;同時,與傳感器電極電氣絕緣,但等電位,可以讓發(fā)散的彎曲電力線產(chǎn)生在保護層外周,使傳感器兩電極間的電場不受邊緣效應(yīng)的影響而保持均勻。保護層厚度隨傳感器兩極板間的距離而定,一般為2～10mm。外屏蔽層和傳感器的另一電極接大地,用來防止外界電磁場的干擾。另外,將電容式傳感器與電子線路的前置級裝在一個殼體內(nèi),省去電纜線的連接,則引線電纜電容大為減小,而且,固定不變,使儀器工作穩(wěn)定。
考慮到檢測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中,金屬位移可能有多個方向,以及非金屬材料涂層有較大寬度等,所以,在檢測系統(tǒng)中,采用了多個電容式傳感器配合使用,便于獲得較全面的信息量,使結(jié)果更準(zhǔn)確。
1. 2 檢測系統(tǒng)的測量電路
檢測系統(tǒng)的測量電路由載波信號發(fā)生器、電容式運算放大器、精密檢波器組成。將電容式傳感器探測到的被測物理量信息轉(zhuǎn)化為與之呈線性關(guān)系的電量信號輸出,如模擬電壓,這樣,便于觀察和處理。
(1)載波信號發(fā)生器
如圖3所示,采用文氏橋振蕩電路,外加穩(wěn)定幅值的措施,輸出頻率為21kHz左右的正弦載波電壓,經(jīng)過放大調(diào)理后,作為電容式運算放大器的激勵電源。
圖3 載波信號發(fā)生器
(2)電容式運算放大器
用傳感器探測到的被測量信息調(diào)制正弦載波電壓,輸出調(diào)幅電壓信號。由穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)耦合電容、低噪聲高阻抗的集成運算放大器以及電容式傳感器和直流平衡電阻組成,如圖4所示。
圖4 電容式運算放大器
設(shè)Cs 為標(biāo)準(zhǔn)耦合電容, Ct 為傳感器電容,輸入的載波電壓用Ui 表示,輸出的調(diào)幅電壓信號用Uo 表示,因為點∑為虛地,故有
當(dāng)A →∞時
將式(1)代入式(3)整理后,取有效值得
這樣,通過反饋運算方法, 將Ct與d的非線性變成了Uo與d的線性關(guān)系,為減小誤差,集成運算放大器的性能和放大倍數(shù)要求較高。同時,式中的Ui,Cs為常量,則穩(wěn)定性要好。Cs可選用正負溫度系數(shù)的電容器相并聯(lián)得到。
(3)精密檢波器
將調(diào)制信號Uo解調(diào),提取被測量d信息,便于數(shù)據(jù)采集及處理。由全波精密整流電路和二階巴特沃思低通濾波器組成。
1. 3 虛擬儀器平臺的構(gòu)建
虛擬儀器是一種新的儀器模式,它充分利用計算機資源,由接口電路硬件、軟件包以及虛擬面板組成。配合傳感器和必要的測量電路,構(gòu)成虛實并存的儀器系統(tǒng)。
本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)中,利用16位的USB 數(shù)據(jù)采集卡作為接口電路的硬件部分,連接計算機和電容式傳感器測量電路,完成A /D和D /A轉(zhuǎn)換。選用基于圖形化編程語言(G語言)的LabVIEW軟件作為虛擬儀器開發(fā)環(huán)境,程序中主要包括3個部分:虛擬面板、框圖程序、圖標(biāo)/接線端口。
虛擬面板是指在計算機屏幕上繪出的與真實物理儀器面板相似的界面,用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤來操作面板上的按鈕、開關(guān)等工具,獲取數(shù)據(jù)或查看結(jié)果?？驁D程序則是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制。圖標(biāo)/接線端口用于定義子程序,便于調(diào)用,得以實現(xiàn)層次化、模塊化編程。
針對不同的應(yīng)用需要,程序可以靈活調(diào)整,具有很強的開放性。如在后面將要介紹的該系統(tǒng)應(yīng)用于膏布藥層厚度的檢測,所設(shè)計的虛擬面板包含了數(shù)據(jù)采集開關(guān)、通道選擇按鈕、波形顯示器、定標(biāo)選擇、結(jié)果顯示框、超標(biāo)報警器等控件。其友好的人機對話界面,是傳統(tǒng)的物理儀器所無法達到的。具體的程序框圖從略。
2 應(yīng) 用
2. 1 測量金屬位移
該系統(tǒng)用于測量金屬位移時,被測物為傳感器的另一極板,選擇傳感器直徑為50mm,測量范圍為0～10mm時的一組實驗數(shù)據(jù)如表1所示。
從表1可知,系統(tǒng)的非線性誤差小于3 %,靈敏度為0.735mV /μm,分辨力約為0.2μm。如果傳感器的直徑減小,則測量范圍隨之減小,但靈敏度和分辨力會相應(yīng)增加,非線性誤差均在3 %以內(nèi),可以根據(jù)需要靈活選擇不同直徑的傳感器測量頭。
2. 2 檢測膏布藥層厚度
當(dāng)前,國內(nèi)膏藥生產(chǎn)廠家對膏布藥層厚度的檢測,普遍采用的還是人工稱重法,屬于離線操作,效率較低、誤差較大。為了提高測量的準(zhǔn)確性及生產(chǎn)效益,需要一種使用可靠、操作方便、價格相對便宜的測厚儀器。雖然采用激光法可以實現(xiàn)對涂層厚度的非接觸測量,但膏藥顏色的隨機變化在一定程度上會影響檢測,而電容式傳感器則不會受膏藥顏色變化的干擾。為此,嘗試用虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng)來檢測膏布藥層厚度。
檢測時,首先,要進行系統(tǒng)的標(biāo)定。即固定兩極板間距,將沒有涂藥的基布插入測量頭下,得到基準(zhǔn)電壓值U0 存儲起來。然后,將已涂藥的標(biāo)準(zhǔn)膏布置于測頭下,測出電壓值U1。U1 - U0 即為膏藥對應(yīng)的電壓值, 再除以膏藥標(biāo)準(zhǔn)厚度得到系數(shù)K,保存起來。標(biāo)定完成后,測量時,根據(jù)測得的電壓值以及標(biāo)定的系數(shù),就可得到膏藥厚度的大小。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),薄型非金屬材料的厚度值采用單位面積材料的克重值表示,單位為g/m2 或g/100cm2 ,反映了材料的厚度特性。本文采用50mm測量頭,固定極板間距分別為2, 3, 4mm,對“壯骨麝香止痛膏”、“一帖靈”、“通絡(luò)祛痛膏等產(chǎn)品進行了檢測。
表2中給出了“一帖靈”這種產(chǎn)品的一組檢測數(shù)據(jù)。其中,克重值的單位面積為100 cm2 ,傳感器間距為3mm。根據(jù)廠家要求,測量的誤差要求控制在±0. 1g范圍之內(nèi)。由表中數(shù)據(jù)可見,該系統(tǒng)的測量誤差< 0. 1g。
3 結(jié) 論
設(shè)計的具有五層結(jié)構(gòu)的圓筒平板型電容式傳感器,減小了邊緣電場以及寄生電容的影響,具有良好的抗干擾能力;采用電容式運算放大器法轉(zhuǎn)換電路,克服了儀器輸出的非線性,減小了測量誤差;構(gòu)建的虛擬儀器測試平臺,使該系統(tǒng)具有很強的靈活性和開放性,且操作方便、易于使用。本系統(tǒng)應(yīng)用于檢測金屬位移以及膏布藥層厚度,取得了良好效果。
關(guān)鍵詞: 電容式傳感器; 檢測系統(tǒng); 虛擬儀器
引 言
電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、易實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點。雖然易受外界干擾和寄生電容的影響,但隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,以及驅(qū)動電纜技術(shù)的出現(xiàn),這些缺點正逐步被克服,可用于激光法、超聲波法等測量手段所不能完成的許多場合。另外,虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)今計算機輔助測試(CAT)的重要手段,集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出等功能,使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計算機軟件所代替,具有靈活性、開放性、低成本、高效率等優(yōu)點,是未來測量儀器設(shè)計發(fā)展的方向。
為此,本文將現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)與電容式傳感器測量技術(shù)結(jié)合,設(shè)計出一種虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng),可用于金屬位移或非金屬材料涂層厚度的測量。該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo):選用不同直徑的傳感器,可測量金屬位移的范圍為0～6000μm,分辨力達到0.3μm,線性度優(yōu)于3%;測量非金屬材料涂層厚度時,在0～5 g/100cm2 的范圍內(nèi),測量誤差小于0.1g。
1 虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng)的組成
整個檢測系統(tǒng)主要由電容式傳感器、測量電路以及虛擬儀器平臺這三大部分組成。具體的原理框圖如圖1 所示。
圖1 檢測系統(tǒng)原理框圖
1. 1 電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計
由物理學(xué)可知,電容器的電容量與構(gòu)成它的兩極片形狀、大小、相互位置及電介質(zhì)介電常數(shù)有確定的函數(shù)關(guān)系。以平行板電容器為例,當(dāng)不考慮邊緣電場影響時,電容量Ct 為
式中Ct 為兩極板間的電容, F;ε0為真空介電常數(shù), 為8. 854 ×10-12F/m,空氣的介電常數(shù)與真空近似;εr為極板之間介質(zhì)的相對介電常數(shù); S為極板的有效面積,m2 ;d為兩極板間距。
當(dāng)被測量的變化能使式中d,S或εr 任一參數(shù)發(fā)生改變時,電容量Ct 也就隨之變化, 再通過一定的測量電路轉(zhuǎn)化為電量信號輸出,即可根據(jù)輸出的電信號判定被測物理量的大小。然而,公式(1)是在平行極板面積為無限大,忽略邊緣電場及其他干擾的理想情況下給出的, 實際中, 電容量Ct很小,只有幾個皮法,受邊緣電場及其他寄生電容的影響較大。為消除和減少這些影響,并綜合成本及性能的考慮,利用有限元軟件計算仿真,對傳感器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,通過實驗比較,終,設(shè)計了具有五層結(jié)構(gòu)的圓筒平板型電容式傳感器。整個測量頭包含3個同軸金屬層和2 個絕緣層,如圖2所示。
圖2 電容式傳感器結(jié)構(gòu)剖面圖
圖2中,傳感器測量頭電極選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金材料加工而成,有效直徑根據(jù)需要而定。內(nèi)外絕緣層均為聚四氟乙烯,厚度約為0.2mm。中間保護層接儀器地,用來克服測量頭與周圍導(dǎo)體的寄生電容的影響;同時,與傳感器電極電氣絕緣,但等電位,可以讓發(fā)散的彎曲電力線產(chǎn)生在保護層外周,使傳感器兩電極間的電場不受邊緣效應(yīng)的影響而保持均勻。保護層厚度隨傳感器兩極板間的距離而定,一般為2～10mm。外屏蔽層和傳感器的另一電極接大地,用來防止外界電磁場的干擾。另外,將電容式傳感器與電子線路的前置級裝在一個殼體內(nèi),省去電纜線的連接,則引線電纜電容大為減小,而且,固定不變,使儀器工作穩(wěn)定。
考慮到檢測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中,金屬位移可能有多個方向,以及非金屬材料涂層有較大寬度等,所以,在檢測系統(tǒng)中,采用了多個電容式傳感器配合使用,便于獲得較全面的信息量,使結(jié)果更準(zhǔn)確。
1. 2 檢測系統(tǒng)的測量電路
檢測系統(tǒng)的測量電路由載波信號發(fā)生器、電容式運算放大器、精密檢波器組成。將電容式傳感器探測到的被測物理量信息轉(zhuǎn)化為與之呈線性關(guān)系的電量信號輸出,如模擬電壓,這樣,便于觀察和處理。
(1)載波信號發(fā)生器
如圖3所示,采用文氏橋振蕩電路,外加穩(wěn)定幅值的措施,輸出頻率為21kHz左右的正弦載波電壓,經(jīng)過放大調(diào)理后,作為電容式運算放大器的激勵電源。
圖3 載波信號發(fā)生器
(2)電容式運算放大器
用傳感器探測到的被測量信息調(diào)制正弦載波電壓,輸出調(diào)幅電壓信號。由穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)耦合電容、低噪聲高阻抗的集成運算放大器以及電容式傳感器和直流平衡電阻組成,如圖4所示。
圖4 電容式運算放大器
設(shè)Cs 為標(biāo)準(zhǔn)耦合電容, Ct 為傳感器電容,輸入的載波電壓用Ui 表示,輸出的調(diào)幅電壓信號用Uo 表示,因為點∑為虛地,故有
當(dāng)A →∞時
將式(1)代入式(3)整理后,取有效值得
這樣,通過反饋運算方法, 將Ct與d的非線性變成了Uo與d的線性關(guān)系,為減小誤差,集成運算放大器的性能和放大倍數(shù)要求較高。同時,式中的Ui,Cs為常量,則穩(wěn)定性要好。Cs可選用正負溫度系數(shù)的電容器相并聯(lián)得到。
(3)精密檢波器
將調(diào)制信號Uo解調(diào),提取被測量d信息,便于數(shù)據(jù)采集及處理。由全波精密整流電路和二階巴特沃思低通濾波器組成。
1. 3 虛擬儀器平臺的構(gòu)建
虛擬儀器是一種新的儀器模式,它充分利用計算機資源,由接口電路硬件、軟件包以及虛擬面板組成。配合傳感器和必要的測量電路,構(gòu)成虛實并存的儀器系統(tǒng)。
本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)中,利用16位的USB 數(shù)據(jù)采集卡作為接口電路的硬件部分,連接計算機和電容式傳感器測量電路,完成A /D和D /A轉(zhuǎn)換。選用基于圖形化編程語言(G語言)的LabVIEW軟件作為虛擬儀器開發(fā)環(huán)境,程序中主要包括3個部分:虛擬面板、框圖程序、圖標(biāo)/接線端口。
虛擬面板是指在計算機屏幕上繪出的與真實物理儀器面板相似的界面,用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤來操作面板上的按鈕、開關(guān)等工具,獲取數(shù)據(jù)或查看結(jié)果?？驁D程序則是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制。圖標(biāo)/接線端口用于定義子程序,便于調(diào)用,得以實現(xiàn)層次化、模塊化編程。
針對不同的應(yīng)用需要,程序可以靈活調(diào)整,具有很強的開放性。如在后面將要介紹的該系統(tǒng)應(yīng)用于膏布藥層厚度的檢測,所設(shè)計的虛擬面板包含了數(shù)據(jù)采集開關(guān)、通道選擇按鈕、波形顯示器、定標(biāo)選擇、結(jié)果顯示框、超標(biāo)報警器等控件。其友好的人機對話界面,是傳統(tǒng)的物理儀器所無法達到的。具體的程序框圖從略。
2 應(yīng) 用
2. 1 測量金屬位移
該系統(tǒng)用于測量金屬位移時,被測物為傳感器的另一極板,選擇傳感器直徑為50mm,測量范圍為0～10mm時的一組實驗數(shù)據(jù)如表1所示。
從表1可知,系統(tǒng)的非線性誤差小于3 %,靈敏度為0.735mV /μm,分辨力約為0.2μm。如果傳感器的直徑減小,則測量范圍隨之減小,但靈敏度和分辨力會相應(yīng)增加,非線性誤差均在3 %以內(nèi),可以根據(jù)需要靈活選擇不同直徑的傳感器測量頭。
2. 2 檢測膏布藥層厚度
當(dāng)前,國內(nèi)膏藥生產(chǎn)廠家對膏布藥層厚度的檢測,普遍采用的還是人工稱重法,屬于離線操作,效率較低、誤差較大。為了提高測量的準(zhǔn)確性及生產(chǎn)效益,需要一種使用可靠、操作方便、價格相對便宜的測厚儀器。雖然采用激光法可以實現(xiàn)對涂層厚度的非接觸測量,但膏藥顏色的隨機變化在一定程度上會影響檢測,而電容式傳感器則不會受膏藥顏色變化的干擾。為此,嘗試用虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng)來檢測膏布藥層厚度。
檢測時,首先,要進行系統(tǒng)的標(biāo)定。即固定兩極板間距,將沒有涂藥的基布插入測量頭下,得到基準(zhǔn)電壓值U0 存儲起來。然后,將已涂藥的標(biāo)準(zhǔn)膏布置于測頭下,測出電壓值U1。U1 - U0 即為膏藥對應(yīng)的電壓值, 再除以膏藥標(biāo)準(zhǔn)厚度得到系數(shù)K,保存起來。標(biāo)定完成后,測量時,根據(jù)測得的電壓值以及標(biāo)定的系數(shù),就可得到膏藥厚度的大小。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),薄型非金屬材料的厚度值采用單位面積材料的克重值表示,單位為g/m2 或g/100cm2 ,反映了材料的厚度特性。本文采用50mm測量頭,固定極板間距分別為2, 3, 4mm,對“壯骨麝香止痛膏”、“一帖靈”、“通絡(luò)祛痛膏等產(chǎn)品進行了檢測。
表2中給出了“一帖靈”這種產(chǎn)品的一組檢測數(shù)據(jù)。其中,克重值的單位面積為100 cm2 ,傳感器間距為3mm。根據(jù)廠家要求,測量的誤差要求控制在±0. 1g范圍之內(nèi)。由表中數(shù)據(jù)可見,該系統(tǒng)的測量誤差< 0. 1g。
3 結(jié) 論
設(shè)計的具有五層結(jié)構(gòu)的圓筒平板型電容式傳感器,減小了邊緣電場以及寄生電容的影響,具有良好的抗干擾能力;采用電容式運算放大器法轉(zhuǎn)換電路,克服了儀器輸出的非線性,減小了測量誤差;構(gòu)建的虛擬儀器測試平臺,使該系統(tǒng)具有很強的靈活性和開放性,且操作方便、易于使用。本系統(tǒng)應(yīng)用于檢測金屬位移以及膏布藥層厚度,取得了良好效果。
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