基于邊緣電場傳感器的大范圍位移測量方法

王文霞,王文廉*(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051)

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基于邊緣電場傳感器的大范圍位移測量方法

王文霞1,2,王文廉1,2*
(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051)

主要研究基于邊緣電場傳感器的位移測量方法,由于在測量位移時交叉指型傳感器互導電容的變化具有周期性,因而可以實現大范圍的位移測量。運用Ansoft Maxwell有限元仿真軟件對邊緣電場傳感器的二維半波長模型進行了仿真分析,仿真結果表明當傳感器工作區間內有物體移動時,會改變傳感器的電場分布,使傳感器互導電容發生周期變化。設計了一個簡單的、低成本的調理電路,可以將電容變化轉化為電壓輸出信號,得到邊緣電場傳感器輸出電壓與電容的關系。對電極尺寸為35 mm×30 mm×0.02 mm的邊緣電場傳感器進行了測量實驗,實驗結果與仿真結果吻合較好。

邊緣電場傳感器;有限元;互導電容;調理電路

TP212邊緣電場傳感器FEF(Fringing Electric Field Sensors)通過測量電容值獲得所需物理量,如介電常數、含水量、粘度、液位、位移等。邊緣電場傳感器屬于電容傳感器,相當于將平行板電容器的兩極板展開置于同一平面內,在兩極板平面的上方構成工作區間。與傳統的平行板電容式傳感器相比,邊緣電場傳感器的電力線分布呈散射狀,電場能集中在電極附近,同時也具有單邊穿透、信號強度可調以及層析成像等優點,被廣泛用于物體物理特性的非接觸測量[1]。

FEF傳感器一直是國內外學者研究的熱點,對邊緣電場傳感器的研究主要集中在傳感器的設計、參數估計算法的實現,測量系統的設計與應用等方面。德國雷斯頓工業大學設計了用于快速多相流體成像的FEF傳感器測量系統,將交流電容測量電路與介電常數轉電壓電路結合,使用對數放大器解調交流電容來測量電路輸出,得到了電壓輸出與介電常數之間的關系[2]。愛爾蘭列墨瑞克通過在FEF傳感器電極上涂二氧化鈦涂層來測量傳感器表面的壓力,使用CMOS振蕩電路將傳感器電極間的電容值轉換為振蕩頻率變化,再利用PLL電路將振蕩頻率變化轉變為直流電壓變化進行測量,建立了傳感器輸出電壓與壓力的關系[3]。泰國瑪哈沙拉堪府大學使用信號發生器產生驅動信號并用調理電路緩沖,使用力科LT354數字示波器測量調理電路輸出電壓,設計了邊緣電場傳感器測量系統,并結合邊緣電場傳感器對水中糖分含量進行了測試,建立了調理電路輸出電壓和水中糖分的關系[4]。太原理工大學竇銀科等人設計了基于叉指傳感器的冰層厚度測量系統,系統以飛卡爾MC9S12x為處理運算的核心,外部提供正弦驅動信號,實驗有效[5]。然而,邊緣電場傳感器在位移測量方面的研究少之又少,臺灣國立云林科技大學選擇同心環型邊緣電場傳感器為研究對象,對一個目標的短距離變化進行了測量,調理電路將傳感器微小位移轉換成電壓輸出,測量精度高達亞微米級別[6]。目前,國內外還沒有學者將邊緣電場傳感器用來進行大范圍位移測量方面的研究。

本文在分析邊緣電場傳感器測量位移基本原理的基礎上,得到了傳感器互導電容值與位移的關系。運用Ansoft Maxwell有限元仿真軟件對其二維半波長模型進行了仿真分析,設計并制作了一個調理電路,可以將傳感器互導電容轉換成電壓輸出信號,得到了輸出電壓與電容之間的關系。通過實驗數據和仿真數據的對比,進一步驗證了邊緣電場傳感器可用于大范圍位移測量。

1 邊緣電場傳感器位移測量原理

本文選擇交叉指型電極結構的邊緣電場傳感器為研究對象,交叉指型傳感器由驅動電極和感應電極組成,兩電極交叉分布,同行電極間的距離相等,能夠改善電場分布,增大電容值。當在傳感器的驅動電極上施加一定頻率的電壓信號VD時,則在感應電極上產生感應電壓VS,通過測量電壓VS并結合傳感器的等效電路模型,可以求出驅動電極和感應電極之間的互導電容值。當被測金屬目標進入傳感器的工作區間后,由于被測金屬目標在金屬電極間電場中的位置不同,穿過電力線的疏密程度不同,因而引起電容量的變化不同,雖然電容量的這種變化與位置變化之間具有一定的非線性,但可通過選取線性工作區域和非線性矯正來減小[7-9]。根據電容值的變化規律,以及傳感器空間結構周期分布的特點,通過對調理電路的電壓輸出幅值進行檢波就可以得到物體移動的距離。邊緣電場傳感器位移測量原理如圖1所示。其中,驅動電極D和感應電極S的長均為L,寬為a,兩電極相距為b。被測目標W長為a,與傳感器間距為d。x1和x2分別為目標物體在X方向移動時與兩電極覆蓋的橫向位移。

將交叉指傳感器的半波長物理模型簡化后可以得到其等效電路模型,如圖2所示。

圖1 邊緣電場傳感器位移測量原理圖

圖2 交叉指傳感器半波長等效電路模型

圖2中,VD為傳感器驅動電壓,VS為傳感器感應電壓,C12和G12分別是傳感器兩極間的電容值和電導值,C10和G10分別為傳感器驅動電極與被測物體間的電容值和電導值,C20和G20分別為傳感器感應電極與被測物體間的電容值和電導值。則傳感器的互導電容值為

(1)

(2)

(3)

而

x1+x2+b=a

(4)

(5)

式中:ε為工作區間的總介電常數。當目標物體W由右至左做單方向移動時,互導電容值C總隨著x1的變化而變化。由于邊緣電場傳感器的空間結構分布具有周期性,所以目標物體在邊緣電場傳感器工作區間移動時,引起傳感器互導電容的變化具有周期性,使得邊緣電場傳感器能夠應用于大范圍位移測量。

2 有限元傳感器仿真

圖3 不同位置下邊緣電場傳感器電場分布圖

在Ansoft Maxwell中建立邊緣電場傳感器的二維半波長模型,設驅動電極與感應電極的電極長均為35 mm,厚度為0.02 mm,材料屬性設置為aluminium,兩電極相距2 mm。被測物體長35 mm,厚9 mm,材料屬性為tin,與傳感器的垂直距離為0.042 mm。分別將驅動電極、感應電極和被測物體命名為D、S、W。將驅動電極的電壓設置為1 V,感應電極的電壓設置為0 V。模型的左右邊界設置為even,即偶對稱,表示電極在x軸上是無限周期分布的,模型的上下邊界設置為氣球邊界條件Ballon,可以減小內存和CPU等計算資源的開銷。仿真中收斂誤差設置為1%。目標物體在電極系統工作區間內單方向移動時,以2 mm位單位間隔,仿真范圍為36 mm,仿真其電場分布情況,并求解不同位置下電極系統的互導電容值[10-11]。

圖3(a)為邊緣電場傳感器本身的電場分布圖,此時的互導電容值為12.65 pF;圖3(b)是當目標物體移動到感應電極正上方時的電場分布圖,此時目標物體基本不影響傳感器的電場分布,其互導電容為19.607 pF;圖3(c)是當目標物體移動到傳感器工作區間的正上方位置時的電場分布,此時互導電容值最大,為1779.2 pF;圖3(d)為目標物體移動到驅動電極正上方時的電場分布,此時互導電容值與圖3(b)相差較小,為17.445 pF。

將不同位置下傳感器的互導電容值繪制成圖,其變化規律如圖4所示。

圖4 傳感器互導電容值隨位移變化曲線圖(仿真)

由圖4可以看出,目標物體移動到兩電極的中間位置時,互導電容值最大,目標物體位于電極兩側時,互導電容值近似對稱,此變化規律符合式(5)的推導。故物體在傳感器工作區間內移動時,互導電容值呈周期變化。

3 傳感器調理電路設計

傳感器調理電路由脈沖信號發生器,兩組平行的電容電壓轉換器和一個儀表放大器組成,如圖5所示。脈沖發生器LM555輸出一個10 kHz的方波信號,用于激勵傳感器。傳感器的核心由雙并聯電容-電壓轉換器構成[12],這兩組電容電壓轉換器由參考電容C3,檢測邊緣電容C4,雙套整流器和兩組過濾器構成,其后是一個儀表放大器INA122,其電壓輸出用來確定邊緣電容C4的變化量,進而探測物體位移量。

圖5 調理電路原理圖

圖6 調理電路實物圖

脈沖發生器LM555產生一個穩定的方波信號對兩個電容進行充放電,通過整流器和濾波器后,輸出的兩個AC電壓就被轉換成了DC電壓,這兩個DC電壓相比較后得到一個電壓差值,而這個電壓差值對應于邊緣電容的感應值。當目標物體在邊緣電場傳感器的工作區間移動時,傳感器互導電容就會發生變化,相應的輸出電壓,且輸出電壓與傳感器互導電容成正比,即

UO=K(C4-C3)

(6)

為了驗證調理電路的可行性,用其對不同的電容進行測量,得到輸出電壓與電容的關系如圖7所示。

圖7 調理電路輸出電壓與電容值的關系圖

由圖7可以看出,調理電路輸出電壓與電容的關系近似為正比,且其關系式為

y=0.064 7x-0.853 3

(7)

4 實驗及結果分析

用鋁箔紙設計了邊緣電場傳感器的一個半波長模型,驅動電極和感應電極的長均為35 mm,寬為30 mm,厚度為0.02 mm,兩電極相距2 mm,被測目標選用35 mm×30 mm×9 mm的量塊,測量實驗如圖8所示。實驗時,使其在邊緣電場傳感器上方做單方向移動,測量的總范圍為36 mm,以2 mm為單位間隔,用電容表記錄不同位置下邊緣電場傳感器的互導電容值。將得到的實驗數據繪制成表,如圖9所示。

圖8 測量實驗圖

圖9 傳感器互導電容值隨位移變化曲線圖(實驗)

圖10 傳感器互導電容值隨位移變化曲線圖(仿真修)

由于仿真結果針對的是邊緣電場傳感器的二維半波長模型,無法與實驗結果進行直觀的比較,所以需要將圖4所示的數據進行處理。設二維仿真的互導電容值為C1,三維仿真的互導電容值為C2,則有

(8)

即

C2=0.03C1

(9)

經處理后得到了如圖10所示的曲線。由圖9和圖10對比可以看出,由于傳感器表面不平整、傳感器與被測物體中間有空隙以及測量誤差等原因導致實驗結果與仿真結果存在一定的誤差,這可以通過采用薄膜制作工藝,改進測量手段,提高測量精確度等得到很大改善,總體而言,實驗結果與仿真結果吻合較好。由于本文的研究對象為邊緣電場傳感器的一個半波長模型,而邊緣電場傳感器空間結構呈周期分布,所以邊緣電場傳感器在測量位移時得到的輸出與位移的關系是由若干個上述圖線組成的,具有很強的規律性與周期性,能夠實現大范圍位移的測量。

6 結論

邊緣電場傳感器在位移測量方面有廣闊的應用前景。運用Ansoft Maxwell有限元仿真軟件對邊緣電場傳感器的二維半波長模型進行了仿真分析。通過邊緣電場傳感器對金屬目標進行的測量實驗,得到的實驗結果與仿真結果吻合較好,進一步表明邊緣電場傳感器能夠實現大范圍位移的測量。以上工作為實現大范圍位移的動態測量提供了良好的基礎。

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王文霞(1992-),女,山西朔州人,碩士,研究方向為動態測試與智能儀器,wangwenxia127818@163.com;

王文廉(1978-),男,四川樂至人,電子科技大學博士,現任中北大學副教授、研究生導師。主要從事半導體功率器件、智能儀器等的研究,已發表包括SCI收錄論文在內的多篇高質量學術論文,wangwenlian@nuc.edu.cn。

A Large Scale Displacement Measurement Method Based on Fringing Electric Field Sensors

WANG Wenxia1,2,WANG Wenlian1,2*
(1.Key Laboratory of Instrumental Science and Dynamic Measurement(North University of China)Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory for Electronic Measurement and Technology(North University of China)Taiyuan 030051,China)

This paper is focused on a displacement measuring method based on Fringing Electric Field Sensors,which can realize a wide range of displacement measurement because of the periodicity in changes of the mutual capacitance of the interdigitated structure in displacement measurement.The two dimensional model of the Fringing Electric Field Sensors was simulated and analyzed by Ansoft Maxwell. The results show that when the target is moving in the working range of the sensor,the distribution of the Fringing Electric Field Sensors will change,resulting in periodic variation in mutual capacitance. A simple and low cost conditioning circuit is designed,which can convert the capacitance to voltage output signal,and then the relationship between the output voltage and the capacitance of the sensor is obtained. Experiments were carried out on the Fringing Electric Field Sensors with the electrode size of 35×30×0.02mm3,and the results were in good agreement with the simulation results.

fringing electric field sensors;finite element;mutual capacitance;conditioning circuit

2016-09-29 修改日期:2016-11-22

TP212

A

1004-1699(2017)04-0506-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.004