引 言
电容式传感器具有结构简略、灵敏度高、动态呼应快、易完结非触摸丈量等长处。尽管易受外界搅扰和寄生电容的影响,但随着电子技能的迅速开展,以及驱动电缆技能的呈现,这些缺陷正逐渐被战胜,可用于激光法、超声波法等丈量手法所不能完结的许多场合。别的,虚拟仪器技能是当今核算机辅助测试(CAT)的重要手法,集成了仪器的一切收集、操控、数据剖析、成果输出等功能,使传统仪器的某些硬件甚至整个仪器都被核算机软件所替代,具有灵活性、开放性、低本钱、高效率等长处,是未来丈量仪器规划开展的方向。
为此,本文将现代虚拟仪器技能与电容式传感器丈量技能结合,规划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资料涂层厚度的丈量。该体系的首要技能指标:选用不同直径的传感器,可丈量金属位移的规模为0～6000μm,分辨力到达0.3μm,线性度优于3%;丈量非金属资料涂层厚度时,在0～5 g/100cm2的规模内,丈量误差小于0.1g。
1 虚拟电容式传感器检测系统的组成
整个检测体系首要由电容式传感器、丈量电路以及虚拟仪器渠道这三大部分组成。详细的原理框图如图1 所示。
图1 检测体系原理框图
1. 1 电容式传感器的原理及结构规划
由物理学可知,电容器的电容量与构成它的南北极片形状、巨细、彼此方位及电介质介电常数有确认的函数联系。以平行板电容器为例,当不考虑边际电场影响时,电容量Ct为
式中Ct为南北极板间的电容, 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为极板的有用面积,m2;d为南北极板间隔。
当被丈量的改动能使式中d,S或εr任一参数产生改动时,电容量Ct也就随之改动, 再通过必定的丈量电路转化为电量信号输出,即可依据输出的电信号断定被测物理量的巨细。但是,公式(1)是在平行极板面积为无限大,疏忽边际电场及其他搅扰的抱负情况下给出的, 实践中, 电容量Ct很小,只要几个皮法,受边际电场及其他寄生电容的影响较大。为消除和削减这些影响,并归纳本钱及功能的考虑,运用有限元软件核算仿真,对传感器的结构进行优化规划,通过试验比较,终究,规划了具有五层结构的圆筒平板型电容式传感器。整个丈量头包括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,传感器丈量头电极选用温度系数低的铁镍合金资料加工而成,有用直径依据需要而定。表里绝缘层均为聚四氟乙烯,厚度约为0.2mm。中心保护层接仪器地,用来战胜丈量头与周围导体的寄生电容的影响;一起,与传感器电极电气绝缘,但等电位,能够让发散的曲折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际效应的影响而坚持均匀。保护层厚度随传感器南北极板间的间隔而定,一般为2～10mm。外屏蔽层和传感器的另一电极接大地,用来避免外界电磁场的搅扰。别的,将电容式传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内,省去电缆线的衔接,则引线电缆电容大为减小,并且,固定不变,使仪器作业安稳。
考虑到检测体系在实践运用中,金属位移可能有多个方向,以及非金属资料涂层有较大宽度等,所以,在检测体系中,选用了多个电容式传感器合作运用,便于取得较全面的信息量,使成果更精确。
1. 2 检测体系的丈量电路
检测体系的丈量电路由载波信号产生器、电容式运算扩大器、精细检波器组成。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联系的电量信号输出,如模仿电压,这样,便于调查和处理。
(1)载波信号产生器
如图3所示,选用文氏桥振荡电路,外加安稳幅值的办法,输出频率为21kHz左右的正弦载波电压,通过扩大调度后,作为电容式运算扩大器的鼓励电源。
图3 载波信号产生器
(2)电容式运算扩大器
用传感器探测到的被丈量信息调制正弦载波电压,输出调幅电压信号。由安稳的规范耦合电容、低噪声高阻抗的集成运算扩大器以及%&&&&&%式传感器和直流平衡电阻组成,如图4所示。
