虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng)的設計與應用
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電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應快、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,但隨著電子技術的迅速發(fā)展,以及驅(qū)動電纜技術的出現(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,虛擬儀器技術是當今計算機輔助測試(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,是未來測量儀器設計發(fā)展的方向。
為此,本文將現(xiàn)代虛擬儀器技術與電容式傳感器測量技術結(jié)合,設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)的主要技術指標: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)設計
由物理學可知,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)關系。以平行板電容器為例,當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)化設計,通過實驗比較,最終,設計了具有五層結(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)定的標準耦合電容、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。
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