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虛擬電容式傳感器檢測系統的設計與應用
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時(shí)間：2017-01-12
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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圖4 電容式運算放大器
設Cs為標準耦合電容, Ct為傳感器電容,輸入的載波電壓用Ui表示,輸出的調幅電壓信號用Uo表示,因為點(diǎn)∑為虛地,故有
當A →∞時(shí)
將式(1)代入式(3)整理后,取有效值得
這樣,通過(guò)反饋運算方法, 將Ct與d的非線(xiàn)性變成了Uo與d的線(xiàn)性關(guān)系,為減小誤差,集成運算放大器的性能和放大倍數要求較高。同時(shí),式中的Ui,Cs為常量,則穩定性要好。Cs可選用正負溫度系數的電容器相并聯(lián)得到。
(3)精密檢波器
將調制信號Uo解調,提取被測量d信息,便于數據采集及處理。由全波精密整流電路和二階巴特沃思低通濾波器組成。
1. 3 虛擬儀器平臺的構建
虛擬儀器是一種新的儀器模式,它充分利用計算機資源,由接口電路硬件、軟件包以及虛擬面板組成。配合傳感器和必要的測量電路,構成虛實(shí)并存的儀器系統。
本文設計的檢測系統中,利用16位的USB 數據采集卡作為接口電路的硬件部分,連接計算機和電容式傳感器測量電路,完成A /D和D /A轉換。選用基于圖形化編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)的LabVIEW軟件作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境,程序中主要包括3個(gè)部分:虛擬面板、框圖程序、圖標/接線(xiàn)端口。
虛擬面板是指在計算機屏幕上繪出的與真實(shí)物理儀器面板相似的界面,用戶(hù)通過(guò)鼠標、鍵盤(pán)來(lái)操作面板上的按鈕、開(kāi)關(guān)等工具,獲取數據或查看結果?？驁D程序則是利用圖形語(yǔ)言對前面板上的控制量和指示量進(jìn)行控制。圖標/接線(xiàn)端口用于定義子程序,便于調用,得以實(shí)現層次化、模塊化編程。
針對不同的應用需要,程序可以靈活調整,具有很強的開(kāi)放性。如在后面將要介紹的該系統應用于膏布藥層厚度的檢測,所設計的虛擬面板包含了數據采集開(kāi)關(guān)、通道選擇按鈕、波形顯示器、定標選擇、結果顯示框、超標報警器等控件。其友好的人機對話(huà)界面,是傳統的物理儀器所無(wú)法達到的。具體的程序框圖從略。
2 應 用
2. 1 測量金屬位移
該系統用于測量金屬位移時(shí),被測物為傳感器的另一極板,選擇傳感器直徑為50mm,測量范圍為0～10mm時(shí)的一組實(shí)驗數據如表1所示。
從表1可知,系統的非線(xiàn)性誤差小于3 %,靈敏度為0.735mV /μm,分辨力約為0.2μm。如果傳感器的直徑減小,則測量范圍隨之減小,但靈敏度和分辨力會(huì )相應增加,非線(xiàn)性誤差均在3 %以?xún)?可以根據需要靈活選擇不同直徑的傳感器測量頭。
2. 2 檢測膏布藥層厚度
當前,國內膏藥生產(chǎn)廠(chǎng)家對膏布藥層厚度的檢測,普遍采用的還是人工稱(chēng)重法,屬于離線(xiàn)操作,效率較低、誤差較大。為了提高測量的準確性及生產(chǎn)效益,需要一種使用可靠、操作方便、價(jià)格相對便宜的測厚儀器。雖然采用激光法可以實(shí)現對涂層厚度的非接觸測量,但膏藥顏色的隨機變化在一定程度上會(huì )影響檢測精度,而電容式傳感器則不會(huì )受膏藥顏色變化的干擾。為此,嘗試用虛擬電容式傳感器檢測系統來(lái)檢測膏布藥層厚度。
檢測時(shí),首先,要進(jìn)行系統的標定。即固定兩極板間距,將沒(méi)有涂藥的基布插入測量頭下,得到基準電壓值U0存儲起來(lái)。然后,將已涂藥的標準膏布置于測頭下,測出電壓值U1。U1- U0即為膏藥對應的電壓值, 再除以膏藥標準厚度得到系數K,保存起來(lái)。標定完成后,測量時(shí),根據測得的電壓值以及標定的系數,就可得到膏藥厚度的大小。根據國家標準,薄型非金屬材料的厚度值采用單位面積材料的克重值表示,單位為g/m2或g/100cm2,反映了材料的厚度特性。本文采用50mm測量頭,固定極板間距分別為2, 3, 4mm,對“壯骨麝香止痛膏”、“一帖靈”、“通絡(luò )祛痛膏等產(chǎn)品進(jìn)行了檢測。
表2中給出了“一帖靈”這種產(chǎn)品的一組檢測數據。其中,克重值的單位面積為100 cm2,傳感器間距為3mm。根據廠(chǎng)家要求,測量的絕對誤差要求控制在±0. 1g范圍之內。由表中數據可見(jiàn),該系統的測量誤差< 0. 1g。
3 結 論
設計的具有五層結構的圓筒平板型電容式傳感器,減小了邊緣電場(chǎng)以及寄生電容的影響,具有良好的抗干擾能力;采用電容式運算放大器法轉換電路,克服了儀器輸出的非線(xiàn)性,減小了測量誤差;構建的虛擬儀器測試平臺,使該系統具有很強的靈活性和開(kāi)放性,且操作方便、易于使用。本系統應用于檢測金屬位移以及膏布藥層厚度,取得了良好效果。
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