CN203310365U

CN203310365U - 一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置

Info

Publication number: CN203310365U
Application number: CN2012206841651U
Authority: CN
Inventors: 李红民; 马玉真; 郑媛
Original assignee: YAMIN AUTOMATIC INSTRUMENT CO Ltd; University of Jinan; Shandong Jianzhu University
Current assignee: YAMIN AUTOMATIC INSTRUMENT CO Ltd; University of Jinan; Shandong Jianzhu University
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2022-12-12

Abstract

本实用新型公开了一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，包括检测电路、数据采集卡、接口转换器、计算机；检测电路包括测量激励电路

、参考电容

、主放大器、传感器测量电容

、信号解调电路、信号分离电路

、校准放大电路。本实用新型具有适应性强、无射线污染、动态响应好、可以实现非接触测量、自身温度系数小等优点，在非导电介质薄膜厚度在线测量中有广泛应用。

Description

一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置

技术领域

本实用新型涉及塑料薄膜厚度检测领域,尤其涉及一种采用共面电容传感器对非导电介质薄膜厚度进行在线检测装置。

背景技术

在塑料薄膜制造行业中，厚度是最重要的物理指标。薄膜厚度的均匀性直接关系到产品使用性能、等级品率、价格和企业效益。厚度不均匀直接影响产品的质量,对于包装薄膜POF，例如餐具的包装膜，在受热收缩时薄的地方更容易破裂；对于涂覆薄膜，如大棚膜(PVC聚氯乙烯），其表面会涂一层防雾剂，薄膜厚度不均匀会造成涂层的厚度不均匀，降低薄膜的使用寿命。研究开发薄膜生产在线厚度检测系统是非常必需的测控手段，可以及时的调节和纠正生产线的参数，减少次品率，节省原材料。共面电容式测厚系统的研制与应用是实现在线测量的重要方法之一，对提高非导电介质薄膜产品质量和降低产品的原料消耗将起决定性作用。

目前国内非导电介质薄膜制造行业配备的测厚仪比例极低，主要配套为国外产品，由于进口测厚设备价格昂贵，只有少数经济实力及规模比较大的生产厂家配备。没有配备薄膜测厚系统的厂家只能凭经验或人工的办法进行测量，无法保证产品的质量。

在精密测量领域，微小尺寸的精密计量与检测是一个重要的研究方向，而非接触测量又是微小尺寸测量的一种理想方法。电容测微技术作为非接触测量微位移的重要方法，近年来得到了大范围的推广。共面电容式非导电介质薄膜测厚系统所使用的电容传感器具有结构简单，适应性强；动态响应好；测量值具有自身的平均效应、温度系数小等优点，在微米级尺寸非导电介质薄膜生产线的测量中有广泛应用。

目前在线薄膜厚度的检测技术主要有如下几种方式：①红外传感检测法，利用特定红外线波段在特定的塑料薄膜中被强烈吸收的原理测量薄膜的厚度。该传感器检测稳定，不受环境变化的影响。但对添加剂及颜色的变化敏感，对在同一条生产线上要生产多种产品不能适应。②β射线或γ射线检测法，是最早用于薄膜厚度检测的传感器，它使用放射源（如：Pm147，Kr85，Si90）作为信号源，技术成熟。但其对环境污染，对人体有害，需要办理放射源使用许可证，进出口手续比较复杂。检测精度会随着放射源的衰减而降低。③电容传感检测法：电容式传感器产生电场并以一定的角度穿透薄膜基材,根据不同的薄膜厚度对应的介电常数的不同读出薄膜的厚度。电容传感器有以下优点：没有核子射线,不受有关核装置执行规定的限制,而且价格便宜。对比一条同样生产规模和树脂种类的吹塑薄膜生产线,一套核磁测厚仪要比电容式的价格高出30%～100%。另外还有光学的测量方法，这种方法不适用于吹塑薄膜的测厚，因为膜泡是气体吹胀形成，其形状不是规则的圆，加上机器本身的震动，会使膜泡在径向有小幅摆动，造成其测量失效。

国外最早采用电容检测法测量薄膜的厚度的是德国和瑞士，在20世纪末，德国塑控（PlastControl）和瑞士昆蒂格（KUNDIG）公司就推出了在线自动测厚系统，实现对薄膜厚度的在线、实时检测。现在欧洲许多吹塑薄膜生产厂的生产线都配备自动厚度控制系统。

与国外相比，国内在非导电介质薄膜测厚仪的研发才刚刚起步，远落后于欧洲和美国，国内的非导电介质薄膜生产线都是进口的国外的测厚设备。广东金明塑胶设备有限公司是国内专业塑料机械制造商，其采用瑞士昆蒂格（KUNDING）公司在线自动测厚系统。国内一些科研机构也在积极的进行非导电介质薄膜测厚产品的研发，目前市面上还没有定型的产品。目前国内非导电介质薄膜在线测量技术主要采用X射线测量，容易对人体造成伤害；德国依靠电容边缘效应实现了非导电介质薄膜厚度测量，但测量厚度很小，在200微米以内,无法满足要求。随着科学技术的发展，塑料薄膜生产加工领域迫切需要精密在线非导电介质薄膜厚度测量控制系统。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供了一种适应性强、无射线污染、成本低、测量范围可达到毫米级的基于共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，包括检测电路、数据采集卡、接口转换器、计算机；

检测电路包括测量激励电路V_s、参考电容C_s、主放大器、传感器测量电容C_T、信号解调电路、信号分离电路LP、校准放大电路；测量激励电路V_s用于产生正弦载波信号，与主放大器、参考电容C_s、传感器测量电容C_T构成运算式测量电路，它将电容量的变化转化为易于传输的电压信号，实现电容-电压的转换，并将电压信号进行调制，降低传输过程中的噪声干扰；主放大器用于将微弱的信号放大，以匹配后续电路；信号解调和信号分离电路LP用于将放大电路的输出信号进行解调，取出变化电压的直流分量；校准放大电路用于对变化电压的直流分量进行校准放大后送入数据采集卡；

数据采集卡用于实现对接收到的变化电压的直流分量信号进行A/D转换；

接口转换器用于实现数据采集卡与计算机的通讯。

传感器测量电容C_T包括有效电极一1和有效电极二2，呈同心圆环形式布置在同一个平面内，两个有效电极所在的平面下方构成传感器的测量表面，被测塑模5放在测量表面上。

传感器测量电容C_T最外层设置有外屏蔽层9，该屏蔽层有效接地。

有效电极一1和有效电极二2之间加入一个内屏蔽层8，内屏蔽层8与外屏蔽层9在结构上是一体的；有效电极一1与内屏蔽层8之间、内屏蔽层8与有效电极二2之间、有效电极二2与外屏蔽层9之间都通过绝缘层7隔离。

根据被测的非导电介质薄膜的厚度增加时，相应增加传感器测量电容C_T的直径。

在接口转换器和计算机之间还包括无线数传电台，无线数传电台包括主机和从机，用于数据采集卡与计算机的无线数据双向通讯。

还包括安装在非导电介质薄膜生产线上的正转复位开关、反转复位开关，采集的数据传输到数据采集卡，用于使计算机上显示的传感器测量电容C_T旋转周期与生产线上实际的旋转周期同步和旋转方向一致。

还包括光纤膜泡检测传感器，采集的数据传输到数据采集卡，用于检测膜泡是否贴紧传感器。

还包括分别安装在传感器测量电容C_T内部的探头温度传感器和安装在电路内部的电路温度传感器，采集的温度数据传输到数据采集卡，用于温度补偿。

根据设计确定的非导电介质薄膜厚度的目标值11、下限12、上限13在计算机上以同心圆方式显示，在线检测到的实际非导电介质薄膜厚度10同比例显示在其中，计算机上还显示的坐标，能清楚的计算出非导电介质薄膜的厚度及变化关系。

共面电容式测厚系统的研制与应用是保证准确度和可靠性并实现在线测量的重要方法之一，对提高非导电介质薄膜产品质量和降低产品的原料消耗将起决定性作用。共面电容式非导电介质薄膜测厚仪所使用的电容传感器具有结构简单，适应性强；动态响应好；可以实现非接触测量、具有平均效应；自身温度系数小等优点，在微小尺寸测量中有广泛应用。

附图说明

图1为电容非导电介质薄膜厚度传感器测量原理示意图；

图2为电容塑膜厚度传感器探头俯视图的圆环测量表面展开等效图；

图3为电容非导电介质薄膜厚度传感器探头的等效测量表面剖面图；

图4为电容非导电介质薄膜厚度传感器的侧面剖视图；

图5为图3的俯视图；

图6为检测机理电路部分硬件框图；

图7为电容非导电介质薄膜厚度在线检测系统的硬件组成框图；

图8为在线测量数据在计算机上显示的图形。

图中:1、有效电极一,2、有效电极二,3、校正电极，4、屏蔽层，5、塑模，6、电缆，7、绝缘层，8、内屏蔽层，9、外屏蔽层，10、非导电介质薄膜厚度，11、目标值，12、下限，13、上限。

具体实施方式

1．测量原理

本课题采用的电容非导电介质薄膜厚度传感器的形式是由平板电容结构变形而来，它是共面式电容传感器。共面式电容传感器是将普通的平行板电容器的两个测量电极呈同心圆环形式放在同一个平面内。两个有效测量电极有效电极一1、有效电极二2之间形成电容，电场线呈菊花状连接两个电极表面，如图1所示。两个有效电极所在的平面下方即构成了传感器的测量表面。当被测塑模5放在测量表面上时，非导电介质薄膜就将工作区间的介电常数由空气介电常数ε₀变为空气介电常数ε₀与薄膜介电常数ε_薄膜的复合，即改变了电容量的大小，使电容传感器的测量电容值与薄膜厚度之间形成了确定的函数关系，从而能够检测出薄膜的厚度值。

在一定的温度条件下，设空气的介电常数为ε_空气，薄膜的介电常数为ε_薄膜，二者可以看作常数，那么含膜空气的等效介电常数为：

其中：

δ：含膜率（等效为被测非导电介质薄膜厚度）；

ε_总：被测空间内复合的介电常数；

ε_空气：空气的介电常数；

ε_薄膜：薄膜的介电常数。

为了简化建模计算过程，建立理想化模型，现将电容非导电介质薄膜厚度传感器探头俯视图的圆环测量表面展开，等效为图2中的所示长方形结构，图3所示为该等效测量表面剖面图，图中用同心圆环模拟该等效测量表面的电力线分布情况。

在实际测量中，由于现场一般存在温度变化，ε_空气和ε_薄膜会随温度的变化而变化，最终导致测量结果随温度发生漂移，从而引起测量误差。

由此可在智能分析系统中引入温度传感器在线检测现场的温度变化，在特性标定环节，将空气和薄膜的相对介电常数与温度的关系通过静态试验测定后得到的数据与在线测量数据进行拟合修正，采用计算机数据处理进行温度补偿，实现测量分析系统的高精度工作运行。

其中：

C_T：传感器测量电容；

K：传感器灵敏因子;

δ：非导电介质薄膜厚度。

2.电容非导电介质薄膜厚度传感器探头的设计

本设计的测量探头如图4、5所示，在实际的测量中，传感器的电容值很小，外界的电磁干扰会使测量结果产生很大的误差。为了提高探头的抗干扰能力和测量的精度，在探头最外层设计一个外屏蔽层9，该屏蔽层必须有效接地。

理想的平行板电容器形成的电场线是平行线，但是实际上，由于电容的边缘效应，极板边缘的电力线是弯曲的，越靠近边缘，电力线就弯曲的越厉害。本实用新型是利用电容的边缘效应，两个有效电极之间的电力线尽量多的发散，以穿过被测介质；这就需要在两个有效电极之间加入一个内屏蔽层8，矫正两者之间电力线相互作用路径，内屏蔽层8与外屏蔽层9在结构上是一体的；各有效电极与屏蔽层之间都通过绝缘层7隔离。

由于电容传感器的电容量比较小，探头与电路之间要采用特殊的驱动电缆技术进行连接，以提前抗干扰能力。一般说来，传感器的尺寸越大，电容值越大，电场强度越大，电力线的穿透能力就越强，因此传感器探头的直径要根据被测量的塑模膜的厚度设计。通常情况下，测量的非导电介质薄膜的越厚，需要探头的电场的透射能力越强，探头的直径越大。

3．电容非导电介质薄膜厚度在线检测系统的硬件

电容非导电介质薄膜厚度在线检测系统的硬件主要包括，如图7所示：

(1)检测机理电路部分：测量激励电路V_s、参考电容C_s、主放大器、传感器测量电容C_T、信号解调电路、信号分离电路LP、校准放大电路和低噪精密稳压电源组成，硬件框图如图6所示。

测量激励电路V_s产生正弦载波信号，与主放大器、参考电容C_s、传感器测量电容C_T构成运算式测量电路。它将电容量的变化转化为易于传输的电压信号，实现电容-电压的转换，并将电压信号进行调制，降低传输过程中的噪声干扰。

主放大器的作用是将微弱的信号放大，以匹配后续电路并增强抗干扰能力。主放大器具有高输入阻抗，采用驱动电缆技术的方法消除寄生电容造成的影响，并保证足够大的开环增益以实现高精度运算，其输出为一调幅波，幅值的变化与被测厚度的变化相对应。

信号解调和信号分离电路构成的解调电路将放大电路的输出信号通过检波和信号分离器与载波分离。通过信号解调电路、信号分离电路对放大的被测信号进行解调，取出变化电压的直流分量，以满足动态和静态测量的要求。

(2)GAM7011数据采集卡

GAM7011数据采集卡实现对电压信号的A/D转换，并与计算机通讯，实现数据到上位机的传输。

(3)RS485/232接口转换器ADAM4520

ADAM4520接口转换器的作用是实现GAM7011的RS485接口与无线数传电台的RS232接口的双向转换，以保证计算机与采集卡的通讯。

(4)ZigBee无线数传电台

ZigBee无线数传电台包括ZigBee数传电台主机、ZigBee数传电台从机，ZigBee无线数传电台实现数据采集卡与上位机的无线数据双向通讯，克服传感器电路部分与上位机有线传输的限制，实现数据的远距离，无障碍传输。对于短距离传输，可以直接用电缆连接传输。

(5)辅助硬件

辅助硬件主要包括正转复位开关、反转复位开关、光纤膜泡检测传感器、温度传感器。

正反转复位开关是安装在非导电介质薄膜生产线上的两个限位开关，它有两个作用：一是使软件上指针的旋转周期与生产线的旋转周期同步，使软件上显示的厚度点能正确的对应到膜头螺栓上；二是控制指针旋转的方向与转盘的方向一致，当转盘上的原点碰到正转的复位开关时，上位机极坐标轮廓图和趋势图上的指针复位，并继续按照顺时针(正转)的方向旋转，单方向旋转的转盘只需安装一个开关即可。

膜泡检测传感器采用欧姆龙的E32-D12光纤传感器和E3X-ZD光纤放大器，其作用是检测膜泡有没有贴紧传感器，当电容非导电介质薄膜厚度传感器测量不到薄膜的时候，上位机软件记录此时电路的输出电压值作为零点。其工作过程是：没有膜泡的时候，光纤放大器输出低电平信号，软件上采集上此低电平信号时，记录此时的输出电压作为零点电压V₀，检测到膜泡时光纤放大器输出高电平，此时的电压为V_t，薄膜厚度对应的电压为V_t-V₀。

温度传感器采用采用两只AD590，它们分别安装在探头内部的探头温度传感器和安装在电路内部的电路温度传感器，对探头的温度和电路的温度进行测量，采集的温度数据用于温度补偿。

(6)计算机PC

计算机采用工控机，其主要有显示器、主机、键盘和鼠标组成，操作系统采用WindowsXpsp3，是上位机软件运行的平台。

电容非导电介质薄膜厚度在线检测系统在线检测结果在计算机上显示，显示结果如图8所示。根据显示的图形，可以很直观和准确的看出非导电介质薄膜厚度10与目标值11、下限12、上限13的关系，同时根据计算机上显示的坐标，可以很清楚的计算出非导电介质薄膜的厚度及变化关系。

随着科学技术的发展，塑料薄膜生产加工领域迫切需要精密在线非导电介质薄膜厚度测量控制系统。共面电容式测厚系统的研制与应用是保证准确度和可靠性并实现在线测量的重要方法之一，对提高非导电介质薄膜产品质量和降低产品的原料消耗将起决定性作用。共面电容式非导电介质薄膜测厚仪所使用的电容传感器具有结构简单，适应性强；动态响应好；可以实现非接触测量、具有平均效应；自身温度系数小等优点，在微小尺寸测量中有广泛应用。

虽然本实用新型以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，包括检测电路、数据采集卡、接口转换器、计算机，其特征在于：

接口转换器用于实现数据采集卡与计算机的通讯。

2.根据权利要求1所述的一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，其特征在于：传感器测量电容C_T包括有效电极一（1）和有效电极二（2），呈同心圆环形式布置在同一个平面内，两个有效电极所在的平面下方构成传感器的测量表面，被测塑模（5）放在测量表面上。

3.根据权利要求2所述的一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，其特征在于：传感器测量电容C_T最外层设置有外屏蔽层（9），该屏蔽层有效接地。

4.根据权利要求3所述的一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，其特征在于：有效电极一（1）和有效电极二（2）之间加入一个内屏蔽层（8），内屏蔽层（8）与外屏蔽层（9）在结构上是一体的；有效电极一（1）与内屏蔽层（8）之间、内屏蔽层（8）与有效电极二（2）之间、有效电极二（2）与外屏蔽层（9）之间都通过绝缘层（7）隔离。

5.根据权利要求4所述的一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，其特征在于：根据被测的非导电介质薄膜的厚度增加时，相应增加传感器测量电容C_T的直径。

6.根据权利要求4所述的一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，其特征在于：在接口转换器和计算机之间还包括无线数传电台，无线数传电台包括主机和从机，用于数据采集卡与计算机的无线数据双向通讯。

7.根据权利要求4所述的一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，其特征在于：还包括安装在非导电介质薄膜生产线上的正转复位开关、反转复位开关，采集的数据传输到数据采集卡，用于使计算机上显示的传感器测量电容C_T旋转周期与生产线上实际的旋转周期同步和旋转方向一致。

8.根据权利要求4所述的一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，其特征在于：还包括光纤膜泡检测传感器，采集的数据传输到数据采集卡，用于检测膜泡是否贴紧传感器。

9.根据权利要求4所述的一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置，其特征在于：还包括分别安装在传感器测量电容C_T内部的探头温度传感器和安装在电路内部的电路温度传感器，采集的温度数据传输到数据采集卡，用于温度补偿。