基于容栅传感器的皮革测厚仪的设计

　　0　引　言

　　目前应用于测量皮革厚度的数显测量仪表大多是用光栅、磁栅或感应同步器来实现。这些装置缺点在于成本较高,结构比较复杂,对使用环境和安装条件 要求高,特别是各部分间的连线比较困难,抗干扰能力差,且这类仪表在测量中仍然采用人工定时的方式进行压脚与试样完全接触后(5±1)s末读数,这种人为 因素的影响使得所测量的数据缺乏科学性和公信度,降低了测量数据的准确度。为此,提出了采用容栅位移传感器进行位移测量的方法,容栅位移传感器具有结构简 单、安装方便、抗电磁场干扰能力强等优点,非常适合用于测厚仪中。

　　1　测量原理与系统整体设计

　　根据轻工业部颁布的行业执行标准—皮革物理和机械试验厚度的测定中对测量仪器和测量操作过程的规定:要求仪器测量压脚的负荷和尺寸须形成49. 1 kPa的压强;测厚仪放置于水平平面,将待测样品粒面向上放在测量台上,在压脚放下并与待测试样完全接触后5 s末读数;且仪表测量分辨率要求达到0. 01mm等[2],本设计采用定重式测量的方法,在仪器顶部加载固定质量的负荷配合相应横截面积的测量压脚来满足压强的指标,并设置一手柄控制负荷与测量 压脚升降。同时选用高精度的容栅式传感器采集位移(厚度)信号,在压脚升降过程中位移传感器不断地将厚度数据通过接口电路送入微处理器进行换算,随后将得 到的厚度值送入LCD实时显示,并且可在某一时刻通过触发信号开启微处理器的内部定时器,在5 s计时完毕后自动锁定LCD上的读数,使得这一测量过程符合行业执行标准。

　　容栅传感器是一种相位跟踪型位移传感器,对输入信号的幅值变化不敏感,具有较好的抗干扰能力[3],主要由动栅、静栅两部分组成。其测量原理是通过动栅与静栅间的相对滑动引起两栅板间电容量的变化而反映相应变化的位移量,同时以串行的方式输出数字信号。

　　由传感器输出的表征皮革厚度的串行信号通过接口电路准确地送入控制器的内存单元并完成换算后,即可在LCD上实时显示。一旦控制器检测到测量压脚接触皮革试样即开始计时, 5 s末将锁定LCD的显示值,此时就可以得到符合测量标准的厚度数据。

　　系统结构如图1所示。

　　2　硬件电路设计

　　2.1　位移传感器电路

　　传感器电路用于实现信号采集。容栅式传感器共有4根引线, 2根数据线,采用串行输出,信号输出如图2所示。图中A是CLK端同步时钟信号,在一帧数据传送中,开始是44μs的高电平段,表示数据即将开始传送;接 下来是两段各有24个周期为11μs的窄脉冲,前后两组窄脉冲段之间有90μs的间隔;最后是55μs的高电平段,以示数据传送结束。数据传送是周期性 的,其周期间隔为20ms。B表示DATA端数据信号,它与同步时钟相对应,在44μs高电平段的下降沿跳变时开始传送,共有2组24位数据,分别为绝对 量和相对量(减去零刻度值的结果)。在发送的每一帧信号当中,数据信号共有2组,每组24位数据。前一组为绝对数据,后一组为相对数据。这24位经过二进 制编码的数据的格式为:低位在前,高位在后,最后一位为符号位,若此位为1,则表示位移值为负值,数据是以补码的形式输出的。如符号位为0,则表示位移值 为正值,输出数据以原码表示。数据信号表示的位移值D与动栅、定栅极板间实际相对位移值L的关系为：