虛擬電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)電纜技術(shù)的出現(xiàn),這些缺點(diǎn)正逐步被克服,可用于激光法、超聲波法等測(cè)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(jì)算機(jī)輔助測(cè)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(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替,具有靈活性、開放性、低成本、高效率等優(yōu)點(diǎn),是未來測(cè)量儀器設(shè)計(jì)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(cè)量技術(shù)結(jié)合,設(shè)計(jì)出一種虛擬電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng),可用于金屬位移或非金屬材料涂層厚度的測(cè)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(cè)量金屬位移的范圍為0～6000μm,分辨力達(dá)到0.3μm,線性度優(yōu)于3%;測(cè)量非金屬材料涂層厚度時(shí),在0～5 g/100cm2的范圍內(nèi),測(cè)量誤差小于0.1g。
1 虛擬電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的組成
整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)主要由電容式傳感器、測(cè)量電路以及虛擬儀器平臺(tái)這三大部分組成。具體的原理框圖如圖1 所示。
圖1 檢測(cè)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(jì)
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(shí),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(duì)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(cè)量的變化能使式中d,S或εr任一參數(shù)發(fā)生改變時(shí),電容量Ct也就隨之變化, 再通過一定的測(cè)量電路轉(zhuǎn)化為電量信號(hào)輸出,即可根據(jù)輸出的電信號(hào)判定被測(cè)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(shí)際中, 電容量Ct很小,只有幾個(gè)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(jì)算仿真,對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過實(shí)驗(yàn)比較,最終,設(shè)計(jì)了具有五層結(jié)構(gòu)的圓筒平板型電容式傳感器。整個(gè)測(cè)量頭包含3個(gè)同軸金屬層和2 個(gè)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(cè)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(hù)層接儀器地,用來克服測(cè)量頭與周圍導(dǎo)體的寄生電容的影響;同時(shí),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(hù)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(hù)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(jí)裝在一個(gè)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(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中,金屬位移可能有多個(gè)方向,以及非金屬材料涂層有較大寬度等,所以,在檢測(cè)系統(tǒng)中,采用了多個(gè)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(cè)系統(tǒng)的測(cè)量電路
檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量電路由載波信號(hào)發(fā)生器、電容式運(yùn)算放大器、精密檢波器組成。將電容式傳感器探測(cè)到的被測(cè)物理量信息轉(zhuǎn)化為與之呈線性關(guān)系的電量信號(hào)輸出,如模擬電壓,這樣,便于觀察和處理。
(1)載波信號(hào)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(yùn)算放大器的激勵(lì)電源。
圖3 載波信號(hào)發(fā)生器
(2)電容式運(yùn)算放大器
用傳感器探測(cè)到的被測(cè)量信息調(diào)制正弦載波電壓,輸出調(diào)幅電壓信號(hào)。由穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)耦合電容、低噪聲高阻抗的集成運(yùn)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。
評(píng)論