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虚拟电容式传感器检测系统的设计与应用
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引 言
电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应快、易实现非接触测量等优点。虽然易受外界干扰和寄生电容的影响,但随着电子技术的迅速发展,以及驱动电缆技术的出现,这些缺点正逐步被克服,可用于激光法、超声波法等测量手段所不能完成的许多场合。另外,虚拟仪器技术是当今计算机辅助测试(CAT)的重要手段,集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出等功能,使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替,具有灵活性、开放性、低成本、高效率等优点,是未来测量仪器设计发展的方向。
为此,本文将现代虚拟仪器技术与电容式传感器测量技术结合,设计出一种虚拟电容式传感器检测系统,可用于金属位移或非金属材料涂层厚度的测量。该系统的主要技术指标:选用不同直径的传感器,可测量金属位移的范围为0～6000μm,分辨力达到0.3μm,线性度优于3%;测量非金属材料涂层厚度时,在0～5 g/100cm2的范围内,测量误差小于0.1g。
1 虚拟电容式传感器检测系统的组成
整个检测系统主要由电容式传感器、测量电路以及虚拟仪器平台这三大部分组成。具体的原理框图如图1 所示。
图1 检测系统原理框图
1. 1 电容式传感器的原理及结构设计
由物理学可知,电容器的电容量与构成它的两极片形状、大小、相互位置及电介质介电常数有确定的函数关系。以平行板电容器为例,当不考虑边缘电场影响时,电容量Ct为
式中Ct为两极板间的电容, F;ε0为真空介电常数, 为8. 854 ×10-12F/m,空气的介电常数与真空近似;εr为极板之间介质的相对介电常数; S为极板的有效面积,m2;d为两极板间距。
当被测量的变化能使式中d,S或εr任一参数发生改变时,电容量Ct也就随之变化, 再通过一定的测量电路转化为电量信号输出,即可根据输出的电信号判定被测物理量的大小。然而,公式(1)是在平行极板面积为无限大,忽略边缘电场及其他干扰的理想情况下给出的, 实际中, 电容量Ct很小,只有几个皮法,受边缘电场及其他寄生电容的影响较大。为消除和减少这些影响,并综合成本及性能的考虑,利用有限元软件计算仿真,对传感器的结构进行优化设计,通过实验比较,最终,设计了具有五层结构的圆筒平板型电容式传感器。整个测量头包含3个同轴金属层和2 个绝缘层,如图2所示。
图2 电容式传感器结构剖面图
图2中,传感器测量头电极选用温度系数低的铁镍合金材料加工而成,有效直径根据需要而定。内外绝缘层均为聚四氟乙烯,厚度约为0.2mm。中间保护层接仪器地,用来克服测量头与周围导体的寄生电容的影响;同时,与传感器电极电气绝缘,但等电位,可以让发散的弯曲电力线产生在保护层外周,使传感器两电极间的电场不受边缘效应的影响而保持均匀。保护层厚度随传感器两极板间的距离而定,一般为2～10mm。外屏蔽层和传感器的另一电极接大地,用来防止外界电磁场的干扰。另外,将电容式传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内,省去电缆线的连接,则引线电缆电容大为减小,而且,固定不变,使仪器工作稳定。
考虑到检测系统在实际应用中,金属位移可能有多个方向,以及非金属材料涂层有较大宽度等,所以,在检测系统中,采用了多个电容式传感器配合使用,便于获得较全面的信息量,使结果更准确。
1. 2 检测系统的测量电路
检测系统的测量电路由载波信号发生器、电容式运算放大器、精密检波器组成。将电容式传感器探测到的被测物理量信息转化为与之呈线性关系的电量信号输出,如模拟电压,这样,便于观察和处理。
(1)载波信号发生器
如图3所示,采用文氏桥振荡电路,外加稳定幅值的措施,输出频率为21kHz左右的正弦载波电压,经过放大调理后,作为电容式运算放大器的激励电源。
图3 载波信号发生器
(2)电容式运算放大器
用传感器探测到的被测量信息调制正弦载波电压,输出调幅电压信号。由稳定的标准耦合电容、低噪声高阻抗的集成运算放大器以及电容式传感器和直流平衡电阻组成,如图4所示。 [p]
图4 电容式运算放大器
设Cs为标准耦合电容, Ct为传感器电容,输入的载波电压用Ui表示,输出的调幅电压信号用Uo表示,因为点∑为虚地,故有
当A →∞时
将式(1)代入式(3)整理后,取有效值得
这样,通过反馈运算方法, 将Ct与d的非线性变成了Uo与d的线性关系,为减小误差,集成运算放大器的性能和放大倍数要求较高。同时,式中的Ui,Cs为常量,则稳定性要好。Cs可选用正负温度系数的电容器相并联得到。
(3)精密检波器
将调制信号Uo解调,提取被测量d信息,便于数据采集及处理。由全波精密整流电路和二阶巴特沃思低通滤波器组成。
1. 3 虚拟仪器平台的构建
虚拟仪器是一种新的仪器模式,它充分利用计算机资源,由接口电路硬件、软件包以及虚拟面板组成。配合传感器和必要的测量电路,构成虚实并存的仪器系统。
本文设计的检测系统中,利用16位的USB 数据采集卡作为接口电路的硬件部分,连接计算机和电容式传感器测量电路,完成A /D和D /A转换。选用基于图形化编程语言(G语言)的LabVIEW软件作为虚拟仪器开发环境,程序中主要包括3个部分:虚拟面板、框图程序、图标/接线端口。
虚拟面板是指在计算机屏幕上绘出的与真实物理仪器面板相似的界面,用户通过鼠标、键盘来操作面板上的按钮、开关等工具,获取数据或查看结果。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。图标/接线端口用于定义子程序,便于调用,得以实现层次化、模块化编程。
针对不同的应用需要,程序可以灵活调整,具有很强的开放性。如在后面将要介绍的该系统应用于膏布药层厚度的检测,所设计的虚拟面板包含了数据采集开关、通道选择按钮、波形显示器、定标选择、结果显示框、超标报警器等控件。其友好的人机对话界面,是传统的物理仪器所无法达到的。具体的程序框图从略。
2 应 用
2. 1 测量金属位移
该系统用于测量金属位移时,被测物为传感器的另一极板,选择传感器直径为50mm,测量范围为0～10mm时的一组实验数据如表1所示。
从表1可知,系统的非线性误差小于3 %,灵敏度为0.735mV /μm,分辨力约为0.2μm。如果传感器的直径减小,则测量范围随之减小,但灵敏度和分辨力会相应增加,非线性误差均在3 %以内,可以根据需要灵活选择不同直径的传感器测量头。
2. 2 检测膏布药层厚度
当前,国内膏药生产厂家对膏布药层厚度的检测,普遍采用的还是人工称重法,属于离线操作,效率较低、误差较大。为了提高测量的准确性及生产效益,需要一种使用可靠、操作方便、价格相对便宜的测厚仪器。虽然采用激光法可以实现对涂层厚度的非接触测量,但膏药颜色的随机变化在一定程度上会影响检测精度,而电容式传感器则不会受膏药颜色变化的干扰。为此,尝试用虚拟电容式传感器检测系统来检测膏布药层厚度。
检测时,首先,要进行系统的标定。即固定两极板间距,将没有涂药的基布插入测量头下,得到基准电压值U0存储起来。然后,将已涂药的标准膏布置于测头下,测出电压值U1。U1- U0即为膏药对应的电压值, 再除以膏药标准厚度得到系数K,保存起来。标定完成后,测量时,根据测得的电压值以及标定的系数,就可得到膏药厚度的大小。根据国家标准,薄型非金属材料的厚度值采用单位面积材料的克重值表示,单位为g/m2或g/100cm2,反映了材料的厚度特性。本文采用50mm测量头,固定极板间距分别为2, 3, 4mm,对“壮骨麝香止痛膏”、“一帖灵”、“通络祛痛膏等产品进行了检测。
表2中给出了“一帖灵”这种产品的一组检测数据。其中,克重值的单位面积为100 cm2,传感器间距为3mm。根据厂家要求,测量的绝对误差要求控制在±0. 1g范围之内。由表中数据可见,该系统的测量误差< 0. 1g。
3 结 论
设计的具有五层结构的圆筒平板型电容式传感器,减小了边缘电场以及寄生电容的影响,具有良好的抗干扰能力;采用电容式运算放大器法转换电路,克服了仪器输出的非线性,减小了测量误差;构建的虚拟仪器测试平台,使该系统具有很强的灵活性和开放性,且操作方便、易于使用。本系统应用于检测金属位移以及膏布药层厚度,取得了良好效果。
电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应快、易实现非接触测量等优点。虽然易受外界干扰和寄生电容的影响,但随着电子技术的迅速发展,以及驱动电缆技术的出现,这些缺点正逐步被克服,可用于激光法、超声波法等测量手段所不能完成的许多场合。另外,虚拟仪器技术是当今计算机辅助测试(CAT)的重要手段,集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出等功能,使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替,具有灵活性、开放性、低成本、高效率等优点,是未来测量仪器设计发展的方向。
为此,本文将现代虚拟仪器技术与电容式传感器测量技术结合,设计出一种虚拟电容式传感器检测系统,可用于金属位移或非金属材料涂层厚度的测量。该系统的主要技术指标:选用不同直径的传感器,可测量金属位移的范围为0～6000μm,分辨力达到0.3μm,线性度优于3%;测量非金属材料涂层厚度时,在0～5 g/100cm2的范围内,测量误差小于0.1g。
1 虚拟电容式传感器检测系统的组成
整个检测系统主要由电容式传感器、测量电路以及虚拟仪器平台这三大部分组成。具体的原理框图如图1 所示。
图1 检测系统原理框图
1. 1 电容式传感器的原理及结构设计
由物理学可知,电容器的电容量与构成它的两极片形状、大小、相互位置及电介质介电常数有确定的函数关系。以平行板电容器为例,当不考虑边缘电场影响时,电容量Ct为
式中Ct为两极板间的电容, F;ε0为真空介电常数, 为8. 854 ×10-12F/m,空气的介电常数与真空近似;εr为极板之间介质的相对介电常数; S为极板的有效面积,m2;d为两极板间距。
当被测量的变化能使式中d,S或εr任一参数发生改变时,电容量Ct也就随之变化, 再通过一定的测量电路转化为电量信号输出,即可根据输出的电信号判定被测物理量的大小。然而,公式(1)是在平行极板面积为无限大,忽略边缘电场及其他干扰的理想情况下给出的, 实际中, 电容量Ct很小,只有几个皮法,受边缘电场及其他寄生电容的影响较大。为消除和减少这些影响,并综合成本及性能的考虑,利用有限元软件计算仿真,对传感器的结构进行优化设计,通过实验比较,最终,设计了具有五层结构的圆筒平板型电容式传感器。整个测量头包含3个同轴金属层和2 个绝缘层,如图2所示。
图2 电容式传感器结构剖面图
图2中,传感器测量头电极选用温度系数低的铁镍合金材料加工而成,有效直径根据需要而定。内外绝缘层均为聚四氟乙烯,厚度约为0.2mm。中间保护层接仪器地,用来克服测量头与周围导体的寄生电容的影响;同时,与传感器电极电气绝缘,但等电位,可以让发散的弯曲电力线产生在保护层外周,使传感器两电极间的电场不受边缘效应的影响而保持均匀。保护层厚度随传感器两极板间的距离而定,一般为2～10mm。外屏蔽层和传感器的另一电极接大地,用来防止外界电磁场的干扰。另外,将电容式传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内,省去电缆线的连接,则引线电缆电容大为减小,而且,固定不变,使仪器工作稳定。
考虑到检测系统在实际应用中,金属位移可能有多个方向,以及非金属材料涂层有较大宽度等,所以,在检测系统中,采用了多个电容式传感器配合使用,便于获得较全面的信息量,使结果更准确。
1. 2 检测系统的测量电路
检测系统的测量电路由载波信号发生器、电容式运算放大器、精密检波器组成。将电容式传感器探测到的被测物理量信息转化为与之呈线性关系的电量信号输出,如模拟电压,这样,便于观察和处理。
(1)载波信号发生器
如图3所示,采用文氏桥振荡电路,外加稳定幅值的措施,输出频率为21kHz左右的正弦载波电压,经过放大调理后,作为电容式运算放大器的激励电源。
图3 载波信号发生器
(2)电容式运算放大器
用传感器探测到的被测量信息调制正弦载波电压,输出调幅电压信号。由稳定的标准耦合电容、低噪声高阻抗的集成运算放大器以及电容式传感器和直流平衡电阻组成,如图4所示。 [p]
图4 电容式运算放大器
设Cs为标准耦合电容, Ct为传感器电容,输入的载波电压用Ui表示,输出的调幅电压信号用Uo表示,因为点∑为虚地,故有
当A →∞时
将式(1)代入式(3)整理后,取有效值得
这样,通过反馈运算方法, 将Ct与d的非线性变成了Uo与d的线性关系,为减小误差,集成运算放大器的性能和放大倍数要求较高。同时,式中的Ui,Cs为常量,则稳定性要好。Cs可选用正负温度系数的电容器相并联得到。
(3)精密检波器
将调制信号Uo解调,提取被测量d信息,便于数据采集及处理。由全波精密整流电路和二阶巴特沃思低通滤波器组成。
1. 3 虚拟仪器平台的构建
虚拟仪器是一种新的仪器模式,它充分利用计算机资源,由接口电路硬件、软件包以及虚拟面板组成。配合传感器和必要的测量电路,构成虚实并存的仪器系统。
本文设计的检测系统中,利用16位的USB 数据采集卡作为接口电路的硬件部分,连接计算机和电容式传感器测量电路,完成A /D和D /A转换。选用基于图形化编程语言(G语言)的LabVIEW软件作为虚拟仪器开发环境,程序中主要包括3个部分:虚拟面板、框图程序、图标/接线端口。
虚拟面板是指在计算机屏幕上绘出的与真实物理仪器面板相似的界面,用户通过鼠标、键盘来操作面板上的按钮、开关等工具,获取数据或查看结果。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。图标/接线端口用于定义子程序,便于调用,得以实现层次化、模块化编程。
针对不同的应用需要,程序可以灵活调整,具有很强的开放性。如在后面将要介绍的该系统应用于膏布药层厚度的检测,所设计的虚拟面板包含了数据采集开关、通道选择按钮、波形显示器、定标选择、结果显示框、超标报警器等控件。其友好的人机对话界面,是传统的物理仪器所无法达到的。具体的程序框图从略。
2 应 用
2. 1 测量金属位移
该系统用于测量金属位移时,被测物为传感器的另一极板,选择传感器直径为50mm,测量范围为0～10mm时的一组实验数据如表1所示。
从表1可知,系统的非线性误差小于3 %,灵敏度为0.735mV /μm,分辨力约为0.2μm。如果传感器的直径减小,则测量范围随之减小,但灵敏度和分辨力会相应增加,非线性误差均在3 %以内,可以根据需要灵活选择不同直径的传感器测量头。
2. 2 检测膏布药层厚度
当前,国内膏药生产厂家对膏布药层厚度的检测,普遍采用的还是人工称重法,属于离线操作,效率较低、误差较大。为了提高测量的准确性及生产效益,需要一种使用可靠、操作方便、价格相对便宜的测厚仪器。虽然采用激光法可以实现对涂层厚度的非接触测量,但膏药颜色的随机变化在一定程度上会影响检测精度,而电容式传感器则不会受膏药颜色变化的干扰。为此,尝试用虚拟电容式传感器检测系统来检测膏布药层厚度。
检测时,首先,要进行系统的标定。即固定两极板间距,将没有涂药的基布插入测量头下,得到基准电压值U0存储起来。然后,将已涂药的标准膏布置于测头下,测出电压值U1。U1- U0即为膏药对应的电压值, 再除以膏药标准厚度得到系数K,保存起来。标定完成后,测量时,根据测得的电压值以及标定的系数,就可得到膏药厚度的大小。根据国家标准,薄型非金属材料的厚度值采用单位面积材料的克重值表示,单位为g/m2或g/100cm2,反映了材料的厚度特性。本文采用50mm测量头,固定极板间距分别为2, 3, 4mm,对“壮骨麝香止痛膏”、“一帖灵”、“通络祛痛膏等产品进行了检测。
表2中给出了“一帖灵”这种产品的一组检测数据。其中,克重值的单位面积为100 cm2,传感器间距为3mm。根据厂家要求,测量的绝对误差要求控制在±0. 1g范围之内。由表中数据可见,该系统的测量误差< 0. 1g。
3 结 论
设计的具有五层结构的圆筒平板型电容式传感器,减小了边缘电场以及寄生电容的影响,具有良好的抗干扰能力;采用电容式运算放大器法转换电路,克服了仪器输出的非线性,减小了测量误差;构建的虚拟仪器测试平台,使该系统具有很强的灵活性和开放性,且操作方便、易于使用。本系统应用于检测金属位移以及膏布药层厚度,取得了良好效果。
