虛擬電容式傳感器檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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圖4 電容式運(yùn)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?yàn)辄c(diǎn)∑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(yùn)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(yùn)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(fù)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(jì)算機(jī)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(shí)并存的儀器系統(tǒng)。
本文設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)屏幕上繪出的與真實(shí)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(jìn)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(shí)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(qiáng)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(jì)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(bào)警器等控件。其友好的人機(jī)對話界面,是傳統(tǒng)的物理儀器所無法達(dá)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對涂層厚度的非接觸測量,但膏藥顏色的隨機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(yùn)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(qiáng)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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