虚拟电容式传感器检测系统的设计与应用

引　言

　　电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应快、易实现非接触测量等优点。虽然易受外界干扰和寄生电容的影响,但随着电子技术的迅速发展,以及驱动电缆技术的出现,这些缺点正逐步被克服,可用于激光法、超声波法等测量手段所不能完成的许多场合。另外,虚拟仪器技术是当今计算机辅助测试(CAT)的重要手段,集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出等功能,使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替,具有灵活性、开放性、低成本、高效率等优点,是未来测量仪器设计发展的方向。

　　为此,本文将现代虚拟仪器技术与电容式传感器测量技术结合,设计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材料涂层厚度的测量。该系统的主要技术指标:选用不同直径的传感器,可测量金属位移的范围为0～6000μm,分辨力达到0.3μm,线性度优于3%;测量非金属材料涂层厚度时,在0～5 g/100cm2的范围内,测量误差小于0.1g。

1　虚拟电容式传感器检测系统的组成

整个检测系统主要由电容式传感器、测量电路以及虚拟仪器平台这三大部分组成。具体的原理框图如图1 所示。

图1　检测系统原理框图

1. 1　电容式传感器的原理及结构设计
　　由物理学可知,电容器的电容量与构成它的两极片形状、大小、相互位置及电介质介电常数有确定的函数关系。以平行板电容器为例,当不考虑边缘电场影响时,电容量Ct为

式中Ct为两极板间的电容, 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为极板的有效面积,m2;d为两极板间距。

　　当被测量的变化能使式中d,S或εr任一参数发生改变时,电容量Ct也就随之变化, 再通过一定的测量电路转化为电量信号输出,即可根据输出的电信号判定被测物理量的大小。然而,公式(1)是在平行极板面积为无限大,忽略边缘电场及其他干扰的理想情况下给出的, 实际中, 电容量Ct很小,只有几个皮法,受边缘电场及其他寄生电容的影响较大。为消除和减少这些影响,并综合成本及性能的考虑,利用有限元软件计算仿真,对传感器的结构进行优化设计,通过实验比较,最终,设计了具有五层结构的圆筒平板型电容式传感器。整个测量头包含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,传感器测量头电极选用温度系数低的铁镍合金材料加工而成,有效直径根据需要而定。内外绝缘层均为聚四氟乙烯,厚度约为0.2mm。中间保护层接仪器地,用来克服测量头与周围导体的寄生电容的影响;同时,与传感器电极电气绝缘,但等电位,可以让发散的弯曲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缘效应的影响而保持均匀。保护层厚度随传感器两极板间的距离而定,一般为2～10mm。外屏蔽层和传感器的另一电极接大地,用来防止外界电磁场的干扰。另外,将电容式传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内,省去电缆线的连接,则引线电缆电容大为减小,而且,固定不变,使仪器工作稳定。

　　考虑到检测系统在实际应用中,金属位移可能有多个方向,以及非金属材料涂层有较大宽度等,所以,在检测系统中,采用了多个电容式传感器配合使用,便于获得较全面的信息量,使结果更准确。

1. 2　检测系统的测量电路
　　检测系统的测量电路由载波信号发生器、电容式运算放大器、精密检波器组成。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关系的电量信号输出,如模拟电压,这样,便于观察和处理。

(1)载波信号发生器
　　如图3所示,采用文氏桥振荡电路,外加稳定幅值的措施,输出频率为21kHz左右的正弦载波电压,经过放大调理后,作为电容式运算放大器的激励电源。

图3　载波信号发生器

(2)电容式运算放大器
　　用传感器探测到的被测量信息调制正弦载波电压,输出调幅电压信号。由稳定的标准耦合电容、低噪声高阻抗的集成运算放大器以及电容式传感器和直流平衡电阻组成,如图4所示。