電容式卷煙機水松紙在線上膠量檢測裝置

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基本原理

有多種方法可以對水松紙的膠水進行檢測，微波傳感器、超聲波傳感器，電容傳感器都可以有效的檢測出水松紙上的膠水，但考慮到在實際生產中， 可能對水松紙膠水的分布和檢測位置的特定要求，微波傳感器和超聲波在實現局部較小區域中的定位檢測顯然不如電容傳感器更加方便，電容傳感器可以通過檢測頭的設計，方便的滿足檢測位置、形狀的要求。

我們知道，電容的基本關系是：

采用電容式傳感器檢測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ε 的差異，雖然采用不同的膠水可能具有不同的介電常數， 但根據實驗的數據表明在膠水還沒有完全加熱干燥的情況下，兩者的介電常數有著較大的差別。 通常水松紙的相對介電常數在4.0 左右（視材料成分略有不同），而實驗推算的沒有完全干燥的膠水的相對介電常數可達10 以上，這樣，只要設計得當，采用電容式傳感器進行膠水檢測，可以得到較好的檢測信號。

在實際的檢測中，由于膠水的狀態在一定的時間段內是相對固定的，即電容的相對介電常數ε 一定，實際上膠量的多少是通過電容極板間（檢測頭和外殼間）的介質密度的變化來反映的，即當上膠量較多時，電容的極板間充實有較多的高介電常數的物質，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

圖1 反映了水松紙上膠時的幾種狀態

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

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

在實際生產中，即使不出現像圖中E 和F 的情況，由于膠缸、車速等的外部因素，水松紙上膠時也時常出現局部不均的情況。

對于用于水松紙上膠檢測的電容傳感器，其結構為開放式電極結構，其電容的數學模型并不能用上式1 來描述，加上電容的較小結構，電極的邊緣效應明顯，其數學模型的推導很復雜。但是，如果我們不是追求計算電容的絕對容量，而只是關心電容量相對于某種狀態（如無膠水時的狀態）的電容量的變化，上式1 仍可作定性的說明，我們可視為：在檢測的狀態下，等效的面積S 和距離d 是電容器電極面積及其相關幾何結構尺寸以及被測物和電容極板之間距離、被測物介電常數的函數。對于電容而言，S、d、ε 的相對關系仍然是成立的。在這樣的認識下，我們用公式1 來說明。

假定對于未上膠的水松紙，有電容

其中ε1反映干燥的水松紙的相對介電常數。

當水松紙上膠后，其電容量C2

其中：ε2反映膠水的相對介電常數，ε2＞ε1；

d1反映由膠水量引起的等效極板間距的減小。

當具有不同的上膠量時，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。

當膠量增加時，d2＞d1，C3＞C2。

電容傳感器檢測水松紙膠水時的結構示意如下圖：

圖2 電容傳感器檢測水松紙上膠結構示意圖

電容傳感器采用單側平板結構，傳感器的檢測電極位于水松紙的干燥面，對于這種結構的電容傳感器檢測，以下的技術問題是必須克服的：

1）自身電容小，傳感器不易做到穩定；

2）電容量的絕對變化量小，信號分辨率要求高，信號處理電路要求高；

3）四個傳感器檢測頭發出的電場存在極間干擾，影響各自數據的真實性。

2 電容傳感器的設計技術

當采用單側平板結構的電容傳感器時，設計上的一些問題必須加以克服，如上所述，自身電容小和傳感器極間電場影響是其中的主要問題。

較小的自身電容不僅使傳感器的設計原理選擇變得困難，更主要是在傳感器自身電容較小的情況下，各種分布電容、寄生電容產生的噪聲不僅可能使系統信噪比降低，還可能使系統無法穩定。

各傳感器極間的電場干擾實際上是一種噪聲，直接影響傳感器的數據采集的準確性。 為了確保傳感器具有較高的檢測范圍，一般希望有較大的檢測電場強度，但檢測電場強度的提高會加劇傳感器極間的干擾，甚至可能使系統無法正常工作。

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

當電路的分布設計和傳感器的結構設計定型后，一般說來，電路（系統）的分布電容接近一個固定數值，相對較穩定，但可能其絕對數值較大（甚至可能超過傳感器自身電容）。分布電容對檢測的影響可以通過它等效到檢測電容一側電容Cf來體現； 寄生電容主要由各種耦合電容、IC 引腳極間電容等產生，其中以IC 引腳極間電容影響最大。寄生電容不穩定且受溫度影響大，是影響傳感器穩定的主要因素。 寄生電容對檢測的影響也可以通過它等效到檢測電容一側的電容Cj來體現。

半導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值特性和接近的溫度特性，其物理參數的變化規律也相近。 我們利用這種特性在同一IC 上設計類似的兩個傳感器電路，它們的各種雜散電容所產生的影響具有相似的變化規律和接近的變化量，這種變化在“信號差異取出電路”中被排除，使得電路分布電容、寄生電容的影響大大降低。

如何消除檢測電場的極間影響：

我們消除檢測電場相互影響的方法是采用掃描，即四個檢測頭分時的工作，每個時刻只有一個檢測頭發出電場，這是徹底消除電場極間影響的方法。

一個循環的掃描時間約0.5ms，這足以保證對檢測的“細致”的要求。

3 系統構成及設計要點

檢測系統的構成見圖4。 由傳感器的四個檢測頭對水松紙上四個區域的上膠量進行檢測，見圖5 所示。選擇不同探頭分布的傳感器，可以使檢測系統適配不同的水松紙寬度和不同的膠水檢測區域。

電容傳感器的穩定性設計是檢測裝置的關鍵，考慮到工藝上可能采用不同介電常數的膠水，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品有效使用的重要因素。

信號調理板對來自傳感器、機器接口的信號進行預處理，以適配控制器的輸入，同時將控制器的輸出信號進行轉換以適配機器剔除電路的要求。

系統設計中，選擇德國SYS TEC C14 控制器，該控制器具有運算速度快、配置較全（數字輸入輸出、模擬AD、DA 轉換、網口等）、體積小、編程方便（支持IEC61131）等特點，當對檢測的四個傳感器模擬通道進行數據采集、分析和基準電壓的DA 轉換等程序處理時，運算時間只有大約5ms，以此速度，該控制器完全可以滿足10000 支/分鐘以上的高速卷接機組的在線檢測要求， 這是一般小型工業PLC 難以做到的。

圖4 膠水檢測系統的基本構成

圖5 膠水檢測點

盡管電容傳感器的設計已考慮到其自身的穩定性問題，但傳感器本身在使用過程中受運動的水松紙的摩擦和附近加熱烙鐵的高溫影響，加上環境空氣、灰塵等各種變化的因素，其靜態輸出電壓仍可能有一定的變化。 在設計中必須考慮到這些因素，盡管這些因素的變化是緩慢的，同時在機器穩定運行時，上述的因素基本上是恒定的。

在傳感器的設計中，通過必要的隔熱措施和散熱手段來降低檢測時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離加熱烙鐵的地方，以減少空氣溫度的影響。

在控制系統中，通過采集最新的傳感器靜態輸出值的方法來確保檢測時具有較大動態信號供分析。傳感器的靜態輸出的采集基于停機狀態和傳感器沒有檢測到存在被測物時，如圖6 所示。

圖6 傳感器靜態數值的采集

4 檢測系統和設備的接口

水松紙膠水檢測系統是一套相對獨立的裝置，可以容易的實現和各種接嘴機的電氣連接。實際使用時僅需要機器提供檢測需要的同步信號。 檢測系統借用原機的剔除驅動和雙長支剔除機構，向原機提供剔除的三極管（OC）輸出電平，可以直接和原機的相關信號處理卡相連接。 檢測系統具有獨立的檢測剔除移位寄存器，可以獨立設定相關的參數：剔除移位步數設定、剔除數設定等以方便對使用的要求。

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