虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用
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圖4 電容式運算放大器
設(shè)Cs為標準耦合電容, 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/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、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/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、定標選擇、結(jié)果顯示框、超標報警器等控件。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精度,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,得到基準電壓值U0存儲起來。然后,將已涂藥的標準膏布置于測頭下,測出電壓值U1。U1- U0即為膏藥對應(yīng)的電壓值, 再除以膏藥標準厚度得到系數(shù)K,保存起來。標定完成后,測量時,根據(jù)測得的電壓值以及標定的系數(shù),就可得到膏藥厚度的大小。根據(jù)國家標準,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,測量的絕對誤差要求控制在±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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