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。