欽 華

（常德卷煙廠 物資配送部，湖南 常德415000）

1 電容式水松紙上膠檢測(cè)基本原理

有多種方法可以對(duì)水松紙的膠水進(jìn)行檢測(cè)，微波傳感器、超聲波傳感器，電容傳感器都可以有效的檢測(cè)出水松紙上的膠水，但考慮到在實(shí)際生產(chǎn)中， 可能對(duì)水松紙膠水的分布和檢測(cè)位置的特定要求，微波傳感器和超聲波在實(shí)現(xiàn)局部較小區(qū)域中的定位檢測(cè)顯然不如電容傳感器更加方便，電容傳感器可以通過(guò)檢測(cè)頭的設(shè)計(jì)，方便的滿(mǎn)足檢測(cè)位置、形狀的要求。

我們知道，電容的基本關(guān)系是：

采用電容式傳感器檢測(cè)水松紙上膠量的基本原理是利用膠水和水松紙的介電常數(shù)ε 的差異，雖然采用不同的膠水可能具有不同的介電常數(shù)， 但根據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明在膠水還沒(méi)有完全加熱干燥的情況下，兩者的介電常數(shù)有著較大的差別。 通常水松紙的相對(duì)介電常數(shù)在4.0 左右（視材料成分略有不同），而實(shí)驗(yàn)推算的沒(méi)有完全干燥的膠水的相對(duì)介電常數(shù)可達(dá)10 以上，這樣，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，采用電容式傳感器進(jìn)行膠水檢測(cè)，可以得到較好的檢測(cè)信號(hào)。

在實(shí)際的檢測(cè)中，由于膠水的狀態(tài)在一定的時(shí)間段內(nèi)是相對(duì)固定的，即電容的相對(duì)介電常數(shù)ε 一定，實(shí)際上膠量的多少是通過(guò)電容極板間（檢測(cè)頭和外殼間）的介質(zhì)密度的變化來(lái)反映的，即當(dāng)上膠量較多時(shí)，電容的極板間充實(shí)有較多的高介電常數(shù)的物質(zhì)，變相的減小了電容極板間距d，使電容C 增加；反之，電容C 減小。

圖1 水松紙幾種上膠狀態(tài)

圖1 反映了水松紙上膠時(shí)的幾種狀態(tài)

從A 到D，水松紙的上膠量依次增多，雖然在膠水相同時(shí)它們具有相同的介電常數(shù)ε，但是由于膠量的增加（介質(zhì)量增加）可等效成極板間距d 的相對(duì)減小。

圖中E 和F 的情況為局部完全沒(méi)有上膠的情況，在這種情況下，電容極間高介電常數(shù)物質(zhì)（膠水）大量減少，電容自然減小。

在實(shí)際生產(chǎn)中，即使不出現(xiàn)像圖中E 和F 的情況，由于膠缸、車(chē)速等的外部因素，水松紙上膠時(shí)也時(shí)常出現(xiàn)局部不均的情況。

對(duì)于用于水松紙上膠檢測(cè)的電容傳感器，其結(jié)構(gòu)為開(kāi)放式電極結(jié)構(gòu)，其電容的數(shù)學(xué)模型并不能用上式1 來(lái)描述，加上電容的較小結(jié)構(gòu)，電極的邊緣效應(yīng)明顯，其數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)很復(fù)雜。但是，如果我們不是追求計(jì)算電容的絕對(duì)容量，而只是關(guān)心電容量相對(duì)于某種狀態(tài)（如無(wú)膠水時(shí)的狀態(tài)）的電容量的變化，上式1 仍可作定性的說(shuō)明，我們可視為：在檢測(cè)的狀態(tài)下，等效的面積S 和距離d 是電容器電極面積及其相關(guān)幾何結(jié)構(gòu)尺寸以及被測(cè)物和電容極板之間距離、被測(cè)物介電常數(shù)的函數(shù)。對(duì)于電容而言，S、d、ε 的相對(duì)關(guān)系仍然是成立的。在這樣的認(rèn)識(shí)下，我們用公式1 來(lái)說(shuō)明。

假定對(duì)于未上膠的水松紙，有電容

其中ε1反映干燥的水松紙的相對(duì)介電常數(shù)。

當(dāng)水松紙上膠后，其電容量C2

其中：ε2反映膠水的相對(duì)介電常數(shù)，ε2＞ε1；

d1反映由膠水量引起的等效極板間距的減小。

當(dāng)具有不同的上膠量時(shí)，其電容量C3

其中d2表示由膠水量大小的不同引起的等效極板間距的變化。

當(dāng)膠量增加時(shí)，d2＞d1，C3＞C2。

電容傳感器檢測(cè)水松紙膠水時(shí)的結(jié)構(gòu)示意如下圖：

圖2 電容傳感器檢測(cè)水松紙上膠結(jié)構(gòu)示意圖

電容傳感器采用單側(cè)平板結(jié)構(gòu)，傳感器的檢測(cè)電極位于水松紙的干燥面，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的電容傳感器檢測(cè)，以下的技術(shù)問(wèn)題是必須克服的：

1）自身電容小，傳感器不易做到穩(wěn)定；

2）電容量的絕對(duì)變化量小，信號(hào)分辨率要求高，信號(hào)處理電路要求高；

3）四個(gè)傳感器檢測(cè)頭發(fā)出的電場(chǎng)存在極間干擾，影響各自數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2 電容傳感器的設(shè)計(jì)技術(shù)

當(dāng)采用單側(cè)平板結(jié)構(gòu)的電容傳感器時(shí)，設(shè)計(jì)上的一些問(wèn)題必須加以克服，如上所述，自身電容小和傳感器極間電場(chǎng)影響是其中的主要問(wèn)題。

較小的自身電容不僅使傳感器的設(shè)計(jì)原理選擇變得困難，更主要是在傳感器自身電容較小的情況下，各種分布電容、寄生電容產(chǎn)生的噪聲不僅可能使系統(tǒng)信噪比降低，還可能使系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定。

各傳感器極間的電場(chǎng)干擾實(shí)際上是一種噪聲，直接影響傳感器的數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。 為了確保傳感器具有較高的檢測(cè)范圍，一般希望有較大的檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度，但檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度的提高會(huì)加劇傳感器極間的干擾，甚至可能使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

如何消除分布電容和各種寄生電容的影響：

傳感器原理框圖如圖3 所示:

圖3 1/4 傳感器原理框圖

當(dāng)電路的分布設(shè)計(jì)和傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型后，一般說(shuō)來(lái)，電路（系統(tǒng)）的分布電容接近一個(gè)固定數(shù)值，相對(duì)較穩(wěn)定，但可能其絕對(duì)數(shù)值較大（甚至可能超過(guò)傳感器自身電容）。分布電容對(duì)檢測(cè)的影響可以通過(guò)它等效到檢測(cè)電容一側(cè)電容Cf來(lái)體現(xiàn)； 寄生電容主要由各種耦合電容、IC 引腳極間電容等產(chǎn)生，其中以IC 引腳極間電容影響最大。寄生電容不穩(wěn)定且受溫度影響大，是影響傳感器穩(wěn)定的主要因素。 寄生電容對(duì)檢測(cè)的影響也可以通過(guò)它等效到檢測(cè)電容一側(cè)的電容Cj來(lái)體現(xiàn)。

半導(dǎo)體制造工藝的特性告訴我們，在同一IC 上集成的電路，其極間電容具有相近的數(shù)值特性和接近的溫度特性，其物理參數(shù)的變化規(guī)律也相近。 我們利用這種特性在同一IC 上設(shè)計(jì)類(lèi)似的兩個(gè)傳感器電路，它們的各種雜散電容所產(chǎn)生的影響具有相似的變化規(guī)律和接近的變化量，這種變化在“信號(hào)差異取出電路”中被排除，使得電路分布電容、寄生電容的影響大大降低。

如何消除檢測(cè)電場(chǎng)的極間影響：

我們消除檢測(cè)電場(chǎng)相互影響的方法是采用掃描，即四個(gè)檢測(cè)頭分時(shí)的工作，每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)檢測(cè)頭發(fā)出電場(chǎng)，這是徹底消除電場(chǎng)極間影響的方法。

一個(gè)循環(huán)的掃描時(shí)間約0.5ms，這足以保證對(duì)檢測(cè)的“細(xì)致”的要求。

3 系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成見(jiàn)圖4。 由傳感器的四個(gè)檢測(cè)頭對(duì)水松紙上四個(gè)區(qū)域的上膠量進(jìn)行檢測(cè)，見(jiàn)圖5 所示。選擇不同探頭分布的傳感器，可以使檢測(cè)系統(tǒng)適配不同的水松紙寬度和不同的膠水檢測(cè)區(qū)域。

電容傳感器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是檢測(cè)裝置的關(guān)鍵，考慮到工藝上可能采用不同介電常數(shù)的膠水，和水松紙的不同材料特性的差異，合理的硬件選擇配置也是保證產(chǎn)品有效使用的重要因素。

信號(hào)調(diào)理板對(duì)來(lái)自傳感器、機(jī)器接口的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以適配控制器的輸入，同時(shí)將控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換以適配機(jī)器剔除電路的要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇德國(guó)SYS TEC C14 控制器，該控制器具有運(yùn)算速度快、配置較全（數(shù)字輸入輸出、模擬AD、DA 轉(zhuǎn)換、網(wǎng)口等）、體積小、編程方便（支持IEC61131）等特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)檢測(cè)的四個(gè)傳感器模擬通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和基準(zhǔn)電壓的DA 轉(zhuǎn)換等程序處理時(shí)，運(yùn)算時(shí)間只有大約5ms，以此速度，該控制器完全可以滿(mǎn)足10000 支/分鐘以上的高速卷接機(jī)組的在線檢測(cè)要求， 這是一般小型工業(yè)PLC 難以做到的。

圖4 膠水檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

圖5 膠水檢測(cè)點(diǎn)

盡管電容傳感器的設(shè)計(jì)已考慮到其自身的穩(wěn)定性問(wèn)題，但傳感器本身在使用過(guò)程中受運(yùn)動(dòng)的水松紙的摩擦和附近加熱烙鐵的高溫影響，加上環(huán)境空氣、灰塵等各種變化的因素，其靜態(tài)輸出電壓仍可能有一定的變化。 在設(shè)計(jì)中必須考慮到這些因素，盡管這些因素的變化是緩慢的，同時(shí)在機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，上述的因素基本上是恒定的。

在傳感器的設(shè)計(jì)中，通過(guò)必要的隔熱措施和散熱手段來(lái)降低檢測(cè)時(shí)傳感器和水松紙的摩擦造成的溫度；將傳感器安裝在盡量遠(yuǎn)離加熱烙鐵的地方，以減少空氣溫度的影響。

在控制系統(tǒng)中，通過(guò)采集最新的傳感器靜態(tài)輸出值的方法來(lái)確保檢測(cè)時(shí)具有較大動(dòng)態(tài)信號(hào)供分析。傳感器的靜態(tài)輸出的采集基于停機(jī)狀態(tài)和傳感器沒(méi)有檢測(cè)到存在被測(cè)物時(shí)，如圖6 所示。

圖6 傳感器靜態(tài)數(shù)值的采集

4 檢測(cè)系統(tǒng)和設(shè)備的接口

水松紙膠水檢測(cè)系統(tǒng)是一套相對(duì)獨(dú)立的裝置，可以容易的實(shí)現(xiàn)和各種接嘴機(jī)的電氣連接。實(shí)際使用時(shí)僅需要機(jī)器提供檢測(cè)需要的同步信號(hào)。 檢測(cè)系統(tǒng)借用原機(jī)的剔除驅(qū)動(dòng)和雙長(zhǎng)支剔除機(jī)構(gòu)，向原機(jī)提供剔除的三極管（OC）輸出電平，可以直接和原機(jī)的相關(guān)信號(hào)處理卡相連接。 檢測(cè)系統(tǒng)具有獨(dú)立的檢測(cè)剔除移位寄存器，可以獨(dú)立設(shè)定相關(guān)的參數(shù)：剔除移位步數(shù)設(shè)定、剔除數(shù)設(shè)定等以方便對(duì)使用的要求。

［1］楊盤(pán)洪.最新集成運(yùn)算放大器應(yīng)用手冊(cè)[Z].山西科學(xué)技術(shù)出版社.

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