改進(jìn)型電容式測厚儀的研究

路新惠　盧易楓

摘 要：傳統(tǒng)的電容測厚儀采用兩電容并聯(lián)構(gòu)成差動結(jié)構(gòu)來檢測金屬帶材的厚度。文章在原有的基礎(chǔ)上作出改進(jìn)，提出一種新型的獨(dú)立電容傳感器，該電容式測厚儀與原來相比，精度提高許多。

關(guān)鍵詞：電容傳感器；測厚儀；誤差

1 概述

電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。由于它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動等惡劣條件下工作，目前，在自動檢測中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。電容式測厚儀是用于測量金屬帶材在軋制過程中厚度在線檢測的儀器，傳統(tǒng)的方法是采用兩電容并聯(lián)構(gòu)成差動結(jié)構(gòu)來檢測金屬帶材的厚度，該方法會隨著帶材在線檢測過程中波動的幅度增大而誤差增大。文章提出了一種改進(jìn)型電容測厚儀，采用獨(dú)立電容進(jìn)行檢測，較原方法，誤差降低。

2 差動式電容傳感器

現(xiàn)有的這種金屬帶材測厚儀，其工作原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各放置一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，如圖1所示。這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1，C2，把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個(gè)極，而帶材就是電容的另一個(gè)極，在電路中C1、C2屬于并聯(lián)方式，其總電容為C1+C2。金屬帶材在軋制過程中不斷向前送進(jìn)，如果帶材厚度發(fā)生變化，電容測厚儀傳感器將引起它與上下兩個(gè)極板間距變化，從而引起電容量的變化。如果將總電容量作為交流電橋的一個(gè)橋臂，電容的變化量DC引起電橋不平衡輸出，經(jīng)過放大、整流、濾波即可在儀表上顯示出帶材的厚度。

將（4）式與（3）式進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，只要金屬帶材不是處于兩極板中心位置，將產(chǎn)生的位置誤差。但是，金屬帶材在線檢測過程中必定存在上下波動，即使采取一定的措施，仍存在誤差，該誤差是由于兩電容并聯(lián)所造成的。傳統(tǒng)的電容測厚儀測厚精度較低，并且為了使帶材盡可能的處于中心位置，也加大了操作的難度。所以，這種方法并不理想。

3 獨(dú)立電容傳感器

在電容器兩極板間的空隙中放入金屬板，很明顯電容器的電容值會改變，但不像改變電介質(zhì)那樣。當(dāng)放入金屬板后，金屬板在勻強(qiáng)電場中靜電平衡，成為等勢體。于是，我們可以把它當(dāng)作等勢面而忽略厚度，厚度忽略后其板間距離可看作減少了x（x為金屬板厚度），故由C的決定式可得電容增大，增大部分即由金屬板厚度引起的。基于此思想，可以把金屬帶材假設(shè)成放入電容器兩極板間的一個(gè)等勢體[4]。

在被測金屬帶材的上、下面對應(yīng)位置各安置一塊電容傳感器的極板，這兩塊極板構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的電容傳感器。假設(shè)金屬帶材上、下極板之間的距離固定為d0（即獨(dú)立電容初始極板間距離為d0），帶材的上表面與上極板間距為d1，帶材的下表面與下極板間距為d2，帶材的厚度為x，則d0=d1+x+d2。不論被測帶材是否處于中心位置，也不論被測帶材上下波動如何，只要厚度x一定時(shí)，那么電容兩極板間距d0-x=d1+d2即為固定值。通過測量（5）式中的Cx即可確定金屬帶材x的厚度。

這樣，通過測量獨(dú)立電容器的電容值，克服了并聯(lián)式電容器存在的原理性誤差的缺點(diǎn)，解決了金屬帶材傳輸過程存在的上下波動的問題。

由于式（5）中厚度x與輸出電容Cx為非線性關(guān)系，可采用放大倍數(shù)足夠大，輸入阻抗足夠高的運(yùn)算放大器作為后續(xù)理想的測量電路，該電路將電容又轉(zhuǎn)化成電壓輸出。不過此時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓與帶材厚度x成線性關(guān)系，解決了變極距式電容傳感器的非線性問題。

4 結(jié)束語

文章提出了獨(dú)立電容傳感器檢測金屬帶材厚度的原理和方法，完全消除了被測帶材在測量過程中上、下波動對厚度檢測的影響。由于輸出的電容變化值十分微小，不能直接為目前的顯示儀表所顯示，所以借助運(yùn)算放大器測量電路，將其轉(zhuǎn)換成與厚度x成單值函數(shù)關(guān)系的電壓。該方法操作簡單，提高了測量精度。

參考文獻(xiàn)

[1]陳艷紅.傳感器與檢測技術(shù)[M].南京大學(xué)出版社.

[2]熊葵容.電容傳感器檢測金屬板帶厚度的研究[J].傳感器世界.

[3]張建忠.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京郵電大學(xué)出版社.

[4]余國河.基于平面電容的凍土檢測傳感器[J].現(xiàn)代電子技術(shù).

作者簡介：路新惠（1983-），女，河南鄭州，講師，碩士，主要從事檢測技術(shù)、電子等方面的教學(xué)和科研。