虚拟电容式传感器检测系统的设计与应用

图4　电容式运算放大器

设Cs为标准耦合电容, Ct为传感器电容,输入的载波电压用Ui表示,输出的调幅电压信号用Uo表示,因为点∑为虚地,故有

当A →∞时

将式(1)代入式(3)整理后,取有效值得


　　这样,通过反馈运算方法, 将Ct与d的非线性变成了Uo与d的线性关系,为减小误差,集成运算放大器的性能和放大倍数要求较高。同时,式中的Ui,Cs为常量,则稳定性要好。Cs可选用正负温度系数的电容器相并联得到。

(3)精密检波器
　　将调制信号Uo解调,提取被测量d信息,便于数据采集及处理。由全波精密整流电路和二阶巴特沃思低通滤波器组成。

1. 3　虚拟仪器平台的构建
　　虚拟仪器是一种新的仪器模式,它充分利用计算机资源,由接口电路硬件、软件包以及虚拟面板组成。配合传感器和必要的测量电路,构成虚实并存的仪器系统。

　　本文设计的检测系统中,利用16位的USB 数据采集卡作为接口电路的硬件部分,连接计算机和电容式传感器测量电路,完成A /D和D /A转换。选用基于图形化编程语言(G语言)的LabVIEW软件作为虚拟仪器开发环境,程序中主要包括3个部分:虚拟面板、框图程序、图标/接线端口。

　　虚拟面板是指在计算机屏幕上绘出的与真实物理仪器面板相似的界面,用户通过鼠标、键盘来操作面板上的按钮、开关等工具,获取数据或查看结果。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。图标/接线端口用于定义子程序,便于调用,得以实现层次化、模块化编程。

　　针对不同的应用需要,程序可以灵活调整,具有很强的开放性。如在后面将要介绍的该系统应用于膏布药层厚度的检测,所设计的虚拟面板包含了数据采集开关、通道选择按钮、波形显示器、定标选择、结果显示框、超标报警器等控件。其友好的人机对话界面,是传统的物理仪器所无法达到的。具体的程序框图从略。

2　应　用

2. 1　测量金属位移
　　该系统用于测量金属位移时,被测物为传感器的另一极板,选择传感器直径为50mm,测量范围为0～10mm时的一组实验数据如表1所示。



　　从表1可知,系统的非线性误差小于3 %,灵敏度为0.735mV /μm,分辨力约为0.2μm。如果传感器的直径减小,则测量范围随之减小,但灵敏度和分辨力会相应增加,非线性误差均在3 %以内,可以根据需要灵活选择不同直径的传感器测量头。

2. 2　检测膏布药层厚度
　　当前,国内膏药生产厂家对膏布药层厚度的检测,普遍采用的还是人工称重法,属于离线操作,效率较低、误差较大。为了提高测量的准确性及生产效益,需要一种使用可靠、操作方便、价格相对便宜的测厚仪器。虽然采用激光法可以实现对涂层厚度的非接触测量,但膏药颜色的随机变化在一定程度上会影响检测精度,而电容式传感器则不会受膏药颜色变化的干扰。为此,尝试用虚拟电容式传感器检测系统来检测膏布药层厚度。

　　检测时,首先,要进行系统的标定。即固定两极板间距,将没有涂药的基布插入测量头下,得到基准电压值U0存储起来。然后,将已涂药的标准膏布置于测头下,测出电压值U1。U1- U0即为膏药对应的电压值, 再除以膏药标准厚度得到系数K,保存起来。标定完成后,测量时,根据测得的电压值以及标定的系数,就可得到膏药厚度的大小。根据国家标准,薄型非金属材料的厚度值采用单位面积材料的克重值表示,单位为g/m2或g/100cm2,反映了材料的厚度特性。本文采用50mm测量头,固定极板间距分别为2, 3, 4mm,对“壮骨麝香止痛膏”、“一帖灵”、“通络祛痛膏等产品进行了检测。

　　表2中给出了“一帖灵”这种产品的一组检测数据。其中,克重值的单位面积为100 cm2,传感器间距为3mm。根据厂家要求,测量的绝对误差要求控制在±0. 1g范围之内。由表中数据可见,该系统的测量误差< 0. 1g。



3　结　论

　　设计的具有五层结构的圆筒平板型电容式传感器,减小了边缘电场以及寄生电容的影响,具有良好的抗干扰能力;采用电容式运算放大器法转换电路,克服了仪器输出的非线性,减小了测量误差;构建的虚拟仪器测试平台,使该系统具有很强的灵活性和开放性,且操作方便、易于使用。本系统应用于检测金属位移以及膏布药层厚度,取得了良好效果。