基于邊緣電場(chǎng)傳感器的大范圍位移測(cè)量方法

王文霞,王文廉*(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

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基于邊緣電場(chǎng)傳感器的大范圍位移測(cè)量方法

王文霞1,2,王文廉1,2*
(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

主要研究基于邊緣電場(chǎng)傳感器的位移測(cè)量方法,由于在測(cè)量位移時(shí)交叉指型傳感器互導(dǎo)電容的變化具有周期性,因而可以實(shí)現(xiàn)大范圍的位移測(cè)量。運(yùn)用Ansoft Maxwell有限元仿真軟件對(duì)邊緣電場(chǎng)傳感器的二維半波長模型進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果表明當(dāng)傳感器工作區(qū)間內(nèi)有物體移動(dòng)時(shí),會(huì)改變傳感器的電場(chǎng)分布,使傳感器互導(dǎo)電容發(fā)生周期變化。設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的、低成本的調(diào)理電路,可以將電容變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出信號(hào),得到邊緣電場(chǎng)傳感器輸出電壓與電容的關(guān)系。對(duì)電極尺寸為35 mm×30 mm×0.02 mm的邊緣電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

邊緣電場(chǎng)傳感器;有限元;互導(dǎo)電容;調(diào)理電路

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

FEF傳感器一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn),對(duì)邊緣電場(chǎng)傳感器的研究主要集中在傳感器的設(shè)計(jì)、參數(shù)估計(jì)算法的實(shí)現(xiàn),測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用等方面。德國雷斯頓工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了用于快速多相流體成像的FEF傳感器測(cè)量系統(tǒng),將交流電容測(cè)量電路與介電常數(shù)轉(zhuǎn)電壓電路結(jié)合,使用對(duì)數(shù)放大器解調(diào)交流電容來測(cè)量電路輸出,得到了電壓輸出與介電常數(shù)之間的關(guān)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(cè)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(zhuǎn)換為振蕩頻率變化,再利用PLL電路將振蕩頻率變化轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷鹤兓M(jìn)行測(cè)量,建立了傳感器輸出電壓與壓力的關(guān)系[3]。泰國瑪哈沙拉堪府大學(xué)使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)并用調(diào)理電路緩沖,使用力科LT354數(shù)字示波器測(cè)量調(diào)理電路輸出電壓,設(shè)計(jì)了邊緣電場(chǎng)傳感器測(cè)量系統(tǒng),并結(jié)合邊緣電場(chǎng)傳感器對(duì)水中糖分含量進(jìn)行了測(cè)試,建立了調(diào)理電路輸出電壓和水中糖分的關(guān)系[4]。太原理工大學(xué)竇銀科等人設(shè)計(jì)了基于叉指?jìng)鞲衅鞯谋鶎雍穸葴y(cè)量系統(tǒng),系統(tǒng)以飛卡爾MC9S12x為處理運(yùn)算的核心,外部提供正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào),實(shí)驗(yàn)有效[5]。然而,邊緣電場(chǎng)傳感器在位移測(cè)量方面的研究少之又少,臺(tái)灣國立云林科技大學(xué)選擇同心環(huán)型邊緣電場(chǎng)傳感器為研究對(duì)象,對(duì)一個(gè)目標(biāo)的短距離變化進(jìn)行了測(cè)量,調(diào)理電路將傳感器微小位移轉(zhuǎn)換成電壓輸出,測(cè)量精度高達(dá)亞微米級(jí)別[6]。目前,國內(nèi)外還沒有學(xué)者將邊緣電場(chǎng)傳感器用來進(jìn)行大范圍位移測(cè)量方面的研究。

本文在分析邊緣電場(chǎng)傳感器測(cè)量位移基本原理的基礎(chǔ)上,得到了傳感器互導(dǎo)電容值與位移的關(guān)系。運(yùn)用Ansoft Maxwell有限元仿真軟件對(duì)其二維半波長模型進(jìn)行了仿真分析,設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)調(diào)理電路,可以將傳感器互導(dǎo)電容轉(zhuǎn)換成電壓輸出信號(hào),得到了輸出電壓與電容之間的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證了邊緣電場(chǎng)傳感器可用于大范圍位移測(cè)量。

1 邊緣電場(chǎng)傳感器位移測(cè)量原理

本文選擇交叉指型電極結(jié)構(gòu)的邊緣電場(chǎng)傳感器為研究對(duì)象,交叉指型傳感器由驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)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(chǎng)分布,增大電容值。當(dāng)在傳感器的驅(qū)動(dòng)電極上施加一定頻率的電壓信號(hào)VD時(shí),則在感應(yīng)電極上產(chǎn)生感應(yīng)電壓VS,通過測(cè)量電壓VS并結(jié)合傳感器的等效電路模型,可以求出驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極之間的互導(dǎo)電容值。當(dāng)被測(cè)金屬目標(biāo)進(jìn)入傳感器的工作區(qū)間后,由于被測(cè)金屬目標(biāo)在金屬電極間電場(chǎng)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(qū)域和非線性矯正來減小[7-9]。根據(jù)電容值的變化規(guī)律,以及傳感器空間結(jié)構(gòu)周期分布的特點(diǎn),通過對(duì)調(diào)理電路的電壓輸出幅值進(jìn)行檢波就可以得到物體移動(dòng)的距離。邊緣電場(chǎng)傳感器位移測(cè)量原理如圖1所示。其中,驅(qū)動(dòng)電極D和感應(yīng)電極S的長均為L,寬為a,兩電極相距為b。被測(cè)目標(biāo)W長為a,與傳感器間距為d。x1和x2分別為目標(biāo)物體在X方向移動(dòng)時(shí)與兩電極覆蓋的橫向位移。

將交叉指?jìng)鞲衅鞯陌氩ㄩL物理模型簡(jiǎn)化后可以得到其等效電路模型,如圖2所示。

圖1 邊緣電場(chǎng)傳感器位移測(cè)量原理圖

圖2 交叉指?jìng)鞲衅靼氩ㄩL等效電路模型

圖2中,VD為傳感器驅(qū)動(dòng)電壓,VS為傳感器感應(yīng)電壓,C12和G12分別是傳感器兩極間的電容值和電導(dǎo)值,C10和G10分別為傳感器驅(qū)動(dòng)電極與被測(cè)物體間的電容值和電導(dǎo)值,C20和G20分別為傳感器感應(yīng)電極與被測(cè)物體間的電容值和電導(dǎo)值。則傳感器的互導(dǎo)電容值為

(1)

(2)

(3)

而

x1+x2+b=a

(4)

(5)

式中:ε為工作區(qū)間的總介電常數(shù)。當(dāng)目標(biāo)物體W由右至左做單方向移動(dòng)時(shí),互導(dǎo)電容值C總隨著x1的變化而變化。由于邊緣電場(chǎng)傳感器的空間結(jié)構(gòu)分布具有周期性,所以目標(biāo)物體在邊緣電場(chǎng)傳感器工作區(qū)間移動(dòng)時(shí),引起傳感器互導(dǎo)電容的變化具有周期性,使得邊緣電場(chǎng)傳感器能夠應(yīng)用于大范圍位移測(cè)量。

2 有限元傳感器仿真

圖3 不同位置下邊緣電場(chǎng)傳感器電場(chǎng)分布圖

在Ansoft Maxwell中建立邊緣電場(chǎng)傳感器的二維半波長模型,設(shè)驅(qū)動(dòng)電極與感應(yīng)電極的電極長均為35 mm,厚度為0.02 mm,材料屬性設(shè)置為aluminium,兩電極相距2 mm。被測(cè)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(qū)動(dòng)電極、感應(yīng)電極和被測(cè)物體命名為D、S、W。將驅(qū)動(dòng)電極的電壓設(shè)置為1 V,感應(yīng)電極的電壓設(shè)置為0 V。模型的左右邊界設(shè)置為even,即偶對(duì)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(shè)置為氣球邊界條件Ballon,可以減小內(nèi)存和CPU等計(jì)算資源的開銷。仿真中收斂誤差設(shè)置為1%。目標(biāo)物體在電極系統(tǒng)工作區(qū)間內(nèi)單方向移動(dòng)時(shí),以2 mm位單位間隔,仿真范圍為36 mm,仿真其電場(chǎng)分布情況,并求解不同位置下電極系統(tǒng)的互導(dǎo)電容值[10-11]。

圖3(a)為邊緣電場(chǎng)傳感器本身的電場(chǎng)分布圖,此時(shí)的互導(dǎo)電容值為12.65 pF;圖3(b)是當(dāng)目標(biāo)物體移動(dòng)到感應(yīng)電極正上方時(shí)的電場(chǎng)分布圖,此時(shí)目標(biāo)物體基本不影響傳感器的電場(chǎng)分布,其互導(dǎo)電容為19.607 pF;圖3(c)是當(dāng)目標(biāo)物體移動(dòng)到傳感器工作區(qū)間的正上方位置時(shí)的電場(chǎng)分布,此時(shí)互導(dǎo)電容值最大,為1779.2 pF;圖3(d)為目標(biāo)物體移動(dòng)到驅(qū)動(dòng)電極正上方時(shí)的電場(chǎng)分布,此時(shí)互導(dǎo)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(dǎo)電容值繪制成圖,其變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 傳感器互導(dǎo)電容值隨位移變化曲線圖(仿真)

由圖4可以看出,目標(biāo)物體移動(dòng)到兩電極的中間位置時(shí),互導(dǎo)電容值最大,目標(biāo)物體位于電極兩側(cè)時(shí),互導(dǎo)電容值近似對(duì)稱,此變化規(guī)律符合式(5)的推導(dǎo)。故物體在傳感器工作區(qū)間內(nèi)移動(dòng)時(shí),互導(dǎo)電容值呈周期變化。

3 傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)

傳感器調(diào)理電路由脈沖信號(hào)發(fā)生器,兩組平行的電容電壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)儀表放大器組成,如圖5所示。脈沖發(fā)生器LM555輸出一個(gè)10 kHz的方波信號(hào),用于激勵(lì)傳感器。傳感器的核心由雙并聯(lián)電容-電壓轉(zhuǎn)換器構(gòu)成[12],這兩組電容電壓轉(zhuǎn)換器由參考電容C3,檢測(cè)邊緣電容C4,雙套整流器和兩組過濾器構(gòu)成,其后是一個(gè)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(jìn)而探測(cè)物體位移量。

圖5 調(diào)理電路原理圖

圖6 調(diào)理電路實(shí)物圖

脈沖發(fā)生器LM555產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的方波信號(hào)對(duì)兩個(gè)電容進(jìn)行充放電,通過整流器和濾波器后,輸出的兩個(gè)AC電壓就被轉(zhuǎn)換成了DC電壓,這兩個(gè)DC電壓相比較后得到一個(gè)電壓差值,而這個(gè)電壓差值對(duì)應(yīng)于邊緣電容的感應(yīng)值。當(dāng)目標(biāo)物體在邊緣電場(chǎng)傳感器的工作區(qū)間移動(dòng)時(shí),傳感器互導(dǎo)電容就會(huì)發(fā)生變化,相應(yīng)的輸出電壓,且輸出電壓與傳感器互導(dǎo)電容成正比,即

UO=K(C4-C3)

(6)

為了驗(yàn)證調(diào)理電路的可行性,用其對(duì)不同的電容進(jìn)行測(cè)量,得到輸出電壓與電容的關(guān)系如圖7所示。

圖7 調(diào)理電路輸出電壓與電容值的關(guān)系圖

由圖7可以看出,調(diào)理電路輸出電壓與電容的關(guān)系近似為正比,且其關(guān)系式為

y=0.064 7x-0.853 3

(7)

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

用鋁箔紙?jiān)O(shè)計(jì)了邊緣電場(chǎng)傳感器的一個(gè)半波長模型,驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)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(cè)目標(biāo)選用35 mm×30 mm×9 mm的量塊,測(cè)量實(shí)驗(yàn)如圖8所示。實(shí)驗(yàn)時(shí),使其在邊緣電場(chǎng)傳感器上方做單方向移動(dòng),測(cè)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(chǎng)傳感器的互導(dǎo)電容值。將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成表,如圖9所示。

圖8 測(cè)量實(shí)驗(yàn)圖

圖9 傳感器互導(dǎo)電容值隨位移變化曲線圖(實(shí)驗(yàn))

圖10 傳感器互導(dǎo)電容值隨位移變化曲線圖(仿真修)

由于仿真結(jié)果針對(duì)的是邊緣電場(chǎng)傳感器的二維半波長模型,無法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀的比較,所以需要將圖4所示的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。設(shè)二維仿真的互導(dǎo)電容值為C1,三維仿真的互導(dǎo)電容值為C2,則有

(8)

即

C2=0.03C1

(9)

經(jīng)處理后得到了如圖10所示的曲線。由圖9和圖10對(duì)比可以看出,由于傳感器表面不平整、傳感器與被測(cè)物體中間有空隙以及測(cè)量誤差等原因?qū)е聦?shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的誤差,這可以通過采用薄膜制作工藝,改進(jìn)測(cè)量手段,提高測(cè)量精確度等得到很大改善,總體而言,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。由于本文的研究對(duì)象為邊緣電場(chǎng)傳感器的一個(gè)半波長模型,而邊緣電場(chǎng)傳感器空間結(jié)構(gòu)呈周期分布,所以邊緣電場(chǎng)傳感器在測(cè)量位移時(shí)得到的輸出與位移的關(guān)系是由若干個(gè)上述圖線組成的,具有很強(qiáng)的規(guī)律性與周期性,能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍位移的測(cè)量。

6 結(jié)論

邊緣電場(chǎng)傳感器在位移測(cè)量方面有廣闊的應(yīng)用前景。運(yùn)用Ansoft Maxwell有限元仿真軟件對(duì)邊緣電場(chǎng)傳感器的二維半波長模型進(jìn)行了仿真分析。通過邊緣電場(chǎng)傳感器對(duì)金屬目標(biāo)進(jìn)行的測(cè)量實(shí)驗(yàn),得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,進(jìn)一步表明邊緣電場(chǎng)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍位移的測(cè)量。以上工作為實(shí)現(xiàn)大范圍位移的動(dòng)態(tài)測(cè)量提供了良好的基礎(chǔ)。

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王文霞(1992-),女,山西朔州人,碩士,研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)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(xué)博士,現(xiàn)任中北大學(xué)副教授、研究生導(dǎo)師。主要從事半導(dǎo)體功率器件、智能儀器等的研究,已發(fā)表包括SCI收錄論文在內(nèi)的多篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)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