（精密仪器及机械专业论文）电容式火药水分检测系统的研究.pdf

电容式火药水分检测系统的研究 摘要 水分广泛存在于自然界的物质中，含水量的多少是物质的重要特性之一。矿物、木 材、茶叶、粮食、药品、食品等加工、生产和保存过程中，都要求水分含量保持在一定 的范围内。对于火药更是如此，水分含量的高低是影响火药质量的关键因素。由于火药 水分分布复杂，影响因素较多，所以既实现含水量的精确检测，又满足现场在线检测的 要求十分困难。随着对火药质量要求的提高，含水量的快速检测显得由为重要，因此火 药水分检测系统的研究对火药的生产有着深远的意义。目前，也有很多种水分检测的方 法，例如烘干失重法等，但由于都不能满足现场检测的要求，所以寻求精确快速的火药 水分在线检测方法迫在眉睫。 本文对电容式火药水分检测系统作了详细研究。这套电容式水分检测系统能够精确、 快速的检测出含水量，满足含水量在线检测的要求，同时在含水量超标时，系统还会自 动报警，做出提醒，对保证产品质量具有十分重要的意义。 本文分析了多种水分检测方法的优缺点，最终选择电容法来实现本系统，并在此基 础上研究设计了本系统中用到的电容传感器；通过大量的实验验证了电容式水分检测方 法的基本原理和影响因素，阐述了系统建模的方法；设计了电容式火药水分检测系统的 总体结构图和在线检测机械装置：设计了电容式火药水分检测系统电路中的关键部分平 衡模块的电路；设计了后期数据处理软件流程图。 关键字：电容传感器，火药水分，含水率 r e s e a r c h o f p o w d e r - m o i s t u r e t e s t i n gs y s t e mb a s e do n c a p a c i t ys e n s i n gd e v i c e a u t h o r ：c h e n gt i n g t i n g a d v i s o r ：s o n gw e n a i a b s t r a c t t h em o i s t u r ec o n t e n tw i d e l ye x i s t si nt h en a t u r em a t e r i a l ，w h i c hi st h em a t e r i a li m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c t h em o i s t u r ec o n t e n tm u s tm a i n t a i ni nc e r t a i ns c o p ei np r o c e s s i n g ，p r o d u c t i o n a n d p r e s e r v e dp r o c e s so fm h l e r a l ，l m n b e r ，t e a ，g r a i n ，d r u g s ，f o o da n d s oo n r e g a r d i n gt h e g u n p o w d e r i ss o ，m o i s t u r ec o n t e n ti n f l u e n c e sg u n p o w d e r q u a l i t ys e r i o u s l y b e c a u s et h e g u n p o w d e rm o i s t u r ec o n t e n td i s t r i b u t i o ni sc o m p l e x ，w h o s ei n f l u e n c ef a c t o ri sm a n y ，i ti s d i f f i c u l tt or e a l i z ep r e c i s ee x a m i n a t i o na n do n l i n ee x a m i n a t i o no fw a t e rc o n t e n t w h i l e e n h a n c i n gt h eg u n p o w d e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t ，f a s te x a m i n a t i o no fw a t e rc o n t e n ti si m p o r t a n t ， s or e s e a r c ho fp o w d e r - m o i s t u r e - t e s t i n gs y s t e mh a sp r o f o u n ds i g n i f i c a n c ef o rp r o d u c t i o no f g u n p o w d e r a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yk i n d so fm o i s t u r ec o n t e n te x a m i n a t i o nm e t h o d s ，s u c h a st h em e t h o do f d r y i n g w e i g h t l e s s n e s sa n d s oo n b e c a u s et h e s em e t h o d sc a nn o ts a t i s f yt h e r e q u e s to fo n l i n et e s t i n g ，s e e k i n gt h ef a s ta n dp r e c i s eo n l i n e t e s t i n gm e t h o do f p o w d e r - m o i s t u r ei su r g e n t t h i sp a p e rr e s e a r c h e s p o w d e r - - m o i s t u r e t e s t i n gs y s t e mb a s e do nc a p a c i t ys e n s i n gd e v i c e i nd e t a i l t h i sp o w d e r - m o i s t u r e t e s t i n gs y s t e mb a s e do nc a p a c i t ys e n s i n gd e v i c ec a nt e s t m o i s t u r ec o n t e n tq u i c k l y ，s a t i s f y i n gt h er e q u e s to fo n l i n et e s t i n g ，w h i l eb l o w i n gaw h i s t l ea sa w a r n i n gw h e n m o i s t u r ec o n t e n ti sn o ta c c e p t a b l e ，g u a r a n t y i n gt h ep r o d u c t q u a l i t y t h i sp a p e ra n a l y z e sm a n ym e r i t sa n dd e m e r i t so fm o i s t u r e t e s t i n gt e c h n o l o g y ；d e s i g n s t h ec a p a c i t ys e n s i n gd e v i s eo ft h i ss y s t e m ；d o e sm a n ye x p e r i m e n t sp r o v i n gb a s i cp r i n c i p l e s a n di n f l u e n c ef a c t o r s ，r e p r e s e n t sm o d e lb u i l d i n gm e t h o do fs y s t e m ；d e s i g n so v e r a l ls t r u c t u r e d r a w i n g ，o n l i n e - t e s t i n gm e c h a n i c a li n s t a l l a t i o nd i a g r a mo fp o w d e r - m o i s t u r e - t e s t i n gs y s t e m b a s e do nc a p a c i t ys e n s i n gd e v i c e ；d e s i g n st h ek e yc i r c u i to f p o w d e r - m o i s t u r e - - t e s t i n gs y s t e m b a s e do nc a p a c i t ys e n s i n gd e v i c e ，b a l a n c ed i eb l o c k ；d e s i g n ss o f t w a r ef l o wp r o c e s sc h a r to f f i n a ld a t ah a n d l i n g k e yw o r d s ：c a p a c i t ys e n s i n gd e v i c e ，p o w d e rm o i s t u r et e s t ，p e r c e n tm o i s t u r ec o n t e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：堡皇重亟 日期： 凋罟j 冬j 此 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 名：堡蚂亟 日期：2 巡：垒皇墨 导师签名：! 耋盍亟 日期：2 竺鱼：垒：兰墨 中北大学学位论文 1 1 课题来源和研究的目的意义 1 绪论 水分广泛存在于自然界的物质中，含水量的多少是物质的重要特性之一。矿物、木 材、茶叶、粮食、火药药品、食品等加工生产和保存过程中，都要求水分含量保持在一 定的范围内。水分含量的高低直接影响着这些物质质量的好坏，其中对于火药而言更是 如此，因为火药含水量如果超标，会导致爆炸性能下降，严重的会导致半爆或不爆，因 此水分含量将直接影响火药的功能甚至造成失效。在生产过程中，每一道加工工序对水 分含量的要求都有一定的限制，如果前一道工序中，水分含量已经超标，那么接下来的 加工将为“无用功”。而现行的火药水分测量方法耗时大约在l h 左右，如果火药生产过 程中水分含量处于合格的情况下，检测时间的长短对其生产过程没有什么影响，但是当 水分不合格时，用现行方法测试水分含量就不能有效地指导生产，等到出示水分结果， 生产中己造成大量的返工药，大大降低了生产效率。因此如果能够在生产线上对火药的 含水量进行实时测量，并及时报警，对提高生产效率，减少“无用功”，保证产品质量具 有十分重要的意义。 本课题来源于火药生产厂，此火药生产厂在火药的生产过程中共有三道工序，分别 为离心，燥粒，成形。在生产过程中首先生产出的药料是絮状的，其中有大量的水分， 在第一道工序中，通过离心可以将大量的水分分离，得到水分相对较少的火药，然后在 生产线上通过碾压，便得到螺旋状药粒，在此过程中火药将得到第二次水分分离，第一 道工序结束。然后将螺旋形药粒通过第二道燥粒工序，将螺旋形药粒烘干，便得了颗粒 状药粒，此时的药粒含水量已经很少了，第二道工序结束。在最后一道工序中将药粒加 工为成品形状，生产结束。生产厂家目前的水分检测方法是，第二道工序后，取粒状药 粒试样做理化分析，从而得到含水量。这样的方法不能及时有效的得到火药含水量，一 经发现火药含水量超标，前两道工序的损失将无法弥补，所以需要一套在线检测含水量 的水分检测系统，在每道工序后都能及时有效地得到含水量，一经发现含水量超标，可 以马上做出调整，减少不必要的损失。生产过程中，生产厂家提出如下检测要求： 1 絮状药粒( 药料去水前) 中北大学学位论文 ( 1 ) 在离心去水前，进料口进入的药是絮状，含水量一般在4 0 5 0 ； ( 2 ) 检测的精度：5 ；检测的速度：5 0 9 0 k g h ： ( 3 ) 防爆等级：d l i b t 4 ；防护等级：i p 5 4 ； 2 螺旋噪粒( 第一次离心去水后) ( 1 ) 噪粒的含水量一般在8 1 2 ； ( 2 ) 测量精度：1 ：测量速度：5 0 9 0 k g h ； ( 3 ) 防爆等级：d l i b t 5 ；防护等级：i p 6 5 ； 3 颗粒状火药( 含水量为1 - 2 ) ( 1 ) 进料为粒状含水量为1 - 2 ； ( 2 ) 检测精度：o 5 ；检测的速度：5 0 9 0 k g h = ( 3 ) 颗粒度：球状； ( 4 ) 防爆等级：d l i b t 5 防护等级：i p 6 5 ； 4 成品( 含水量为o 5 1 ) ( 1 ) 进料为粒状含水量：o 5 1 ； ( 2 ) 检测精度：0 1 ；检测的速度：5 0 - 9 0 k g h ； ( 3 ) 防爆等级：d l i b t 5 ；防护等级：i p 6 5 ； 本文的研究工作正是在这样一个背景下，主要针对生产过程的最后一个环节，含水 量较低，检测精度要求又高的情况进行研究，这是水分检测的难点，这一环节的水分检 测问题解决了，其它过程的水分检测问题迎刃而解。 在充分借鉴前人研究成果的基础上，通过对平行极板式电容传感器进行理论研究， 对基于电容传感器进行水分检测的硬件电路做了深入研究，研究出一套适合于微小电容 的水分检测电路，此外还对整个电容式火药在线检测系统作了研究。 1 2 水分检测技术的国内外发展现状和趋势 2 中北大学学位论文 上世纪6 0 年代以来，世界各国对水分检测技术的发展都十分重视，水分检测的新技 术和新方法不断产生，物料含水率的测量技术( 如粮食和土壤检测技术) 发展迅速，形 成了多种水分测量方法，先进的水分检测仪正在各个行业被推广和应用。目前具有先进 技术并占有较大水分仪份额的国外研究机构与生产机构有：日本k e t t 研究所，日本津制 所，美国j e n v e r 公司。日本凯特( k e t t ) 科学研究所成立于1 9 4 6 年，主要产品有粮食 水分测量仪：p m 6 0 0 、p m 4 0 0 、p m 8 1 8 8 、r i c e t e r - m 、p b 3 0 0 0 等，纸张水分测量仪： k 1 0 0 、k 2 0 0 、k h 5 0 、p m 8 0 等，红外线水分测量仪器f d 6 1 0 、f d 一7 2 0 、f d 2 4 0 等。 其中p m 8 1 8 8 快速水分测量仪是全新的谷物水分测量产品，它不需要将试样进行粉碎等 前处理。按下测定键，并将试样放入测定容器中即可显示水分值。适用于必须做多种谷 物水分测定的检查、检验机关和必须对手边大量试样进行处理的农业设施上。p m 8 1 8 8 是高频电容式谷物水分测量仪，其适用温度范围为0 。c 4 0 。c ，它的特点为： 1 能自动测量试样重量 2 可以修正水分值 3 可以测定小麦，玉米，大豆，大麦，绿豆，小米，高梁，油菜子，红小豆，花生 米，大米，稻子十二个品种 4 电源自动关闭，约3 分钟不进行操作，电源将自动切断 5 可以显示品种编号( 1 到1 2 ) 和名称 其中k h 5 0 是高频电阻式纸张水分测量仪，又称为纸张水分计，其主要用于各种工业及 民用中各种纸张的含水量测量，其适用温度范围为0 。c n 4 0 。c 。k h 5 0 纸张水分计是可以 测量各种纸张的通用型水分测量仪，仅需操作一个按键就可切换测量对象。在测量时将 传感器按在纸张表面，只要过几秒钟，便可以测量出厚度直至3 0 m m 的纸张水分含量， 并将平均水分显示在仪器上。由于传感器部分为弹簧型，所以更加强了传感器与纸张接 触的紧密性。k 1 0 0 为电阻式纸张水分计，专为牛皮纸和波纹纸的水分而设计，通过旋 钮来转换纸张的类型，将探头压在纸张表面约2 秒钟即刻显示水分结果。k 2 0 0 是可测 量工艺用纸和密封板用纸的两用型水分测量仪。工艺用纸和密封板用纸的测量只需切换 个千分表便可以实现，操作十分简单。将传感器压在纸张表面，不到两秒钟，水分含 量便显示在仪器上。k - 1 0 0 传感器采用的是导体橡胶，而k 2 0 0 传感器采用的是定压方 3 中北大学学位论文 式，使传感器和纸张精密接触，提高了测量的稳定性。 水分仪的种类很多，但市场潜力不尽相同。今后重点发展的方向是开发通用型低成 本的快速水分仪，同时开发和推广水分在线检测系统，这对提高工作效率、减轻劳动强 度节省人力、实现管理自动化具有重要意义i l 】。 虽然水分检测技术属于一个比较传统的领域，但是在实际应用中，对非电量的测量 还达不到理想的稳定性、灵敏度和精确度。虽然目前很多文献都报道了测量非电量的技 术和方法，但真正运用到实际中去，就难以满足实际需要了。鉴于电容式传感器测量技 术的优越性，所以对它的深入研究具有深远的意义，尤其对于水分检测的理论、设计优 化方法及其应用方面还有许多需要深入研究和继续完善的方法。此外，在进一步扩大其 在工业测量的应用范围、改进和创新传感器的结构、促进电容传感器的系列化和实用化 等方面，还有许多t 作要做【2 j 。 1 3 本文写作思路及结构安排 本文对电容式火药水分检测系统做了详细的研究，包括系统整体结构的设计、电容 传感器的选择，硬件电路的设计等。各章节的内容安排如下所述： 第一章绪论。介绍了课题的研究背景，目的和意义。同时还阐述了本文的研究内容。 第二章主要介绍了国内外通常采用的水分检测技术，包括水分检测技术原理和检测 方法的选择，结果显示对于本系统电容法具有优越性。 第三章主要介绍了电容传感器技术，包括其特点、分类、发展现状的介绍，并且设 计了本系统所需要的电容传感器。 第四章详细介绍了电容式火药水分检测的原理性实验研究，并且阐述了建立回归模 型和b p 模型的理论方法。 第五章介绍了电容式火药水分检测系统硬件电路中关键部分平衡模块的设计。 第六章介绍的电容传感器水分检测系统软件的实现步骤，通过数据采集与上位机共 同实现信号处理和自动控制的功能。 4 中北大学学位论文 2 水分检测原理、技术概述及检测方案的确定 2 1 水分检测原理概述 目前测量水分的主要方法如表2 1 所示。直接法通过干燥或化学方法去除被测物质 中的水分，检测出样品的绝对含水量，该类方法检测精度高但费时，不适于在线检测。 其中，标准干燥法是基准法，测量时不会改变样品性质，只须在常压下将样品加热烘干 到1 0 0 4 c 左右，求出样品减少量即可。 表2 1 主要的水分测量方法 类别在线测量 直 干燥法标准干燥法、减压法、快速干燥法( 红外加热法、微波 不 接加热法)能 法 化学法蒸馏法、卡尔费休尔法、溶液混合法、气压法 间电电解法 接学 电阻式直流和低频型、高频型 法法 电容式( 介普通型、超高频型、微量水分型 电式) 可 红外吸收法反射式、透射式、反射透射联合式 以 微波法吸收式、空腔谐振式、相位法 中子法 表面式、插入式、透射式 压电晶体振荡器式 不能 间接法是通过测量与水分变化相关的物理量变化，如电阻率、介电常数等来测量水 分含量的，一般检测速度较快，易于实现在线检测。目前的流程用水分计多属此类。 以下对可用于在线检测的方法作比较选择： 电解法微量水分仪 它采用吸湿电解原理工作，是水分仪中最廉价的一种。多用于气体含水量的测量， 测量固体时，仅能做微量水分测量，且要求固体的流动性好，亲水性弱于所用吸水试剂， 因此并不适用于对火药的在线水分测量。 中子式水分仪 主要通过计量慢中子探测器中产生的电压脉冲个数测量物料的水分含量。由于氢的 5 中北大学学位论文 散射特性不稳定，该方法理论尚未完善，需要人工标定，检测精度受物料密度和测量体 积大小的影响较大等原因，对于此方法的精确建模，及测量精度的保证存在一定困难， 因此也不适用于火药含水量的在线精确测定。 电测法水分仪包括电阻法、电容法、红外法、微波法、激光法等。 采用电测法测量物料含水量的基本原理是根据含水量不同，造成物料的电磁性能 ( 如电导率，介电常数，磁导率等) 不同，各种方法分别针对不同的敏感量进行测量， 进而反算出物料的含水量。对于性质不同的物料，水分造成电磁性能变化的敏感量也不 一样，因此应根据具体物料的电磁性质来选择电测方法f 3 1 。 当电磁波作用在含水物料上时，电磁波会使物料内部产生极化和磁化，表征物料电 磁性质的重要参数有： 复介电常数f = e 一弦” ( 2 1 ) 复磁导率 k t 。= 一舡” ( 2 2 ) 在以上定义式中，占，是表征物料在电磁场作用下产生极化或磁化程度的变量； 占”为外加电场下，材料的电偶极矩发生重排引起的损耗的量度； s ”可表示为： 占”：竺 ( 2 3 ) 功 其中，仃为物料的电导率，缈为电磁场的角频率：“是在外加磁场下材料的磁偶极 矩发生重排引起的损耗量度；另外定义： t g s e = g ”c ；t g 瓯= ”, u ( 2 4 ) 其中皖表示电感应场相对于外加电场的滞后相位，同样如为磁感应场相对于外加 磁场的滞后相位，分别称为媒质的电磁损耗角。 t g s ：三：l ：堡量皇鎏窒鏖 ( 2 5 ) , 2 丁2 i 2 面酝酹藩夏 心 g嬲位移电流苗厦 因此，物料的”，”以及留以，晰越大，电磁波的衰减也就越大。 根据麦克斯韦电磁场方程可推导如下： 6 中北大学学位论文 v 疗：面+ s 堡 西 v x 豆：一“一a h i 8 t 设上式中j t - d l ：i 电场e 和外加磁场均随时间作正弦变化，则有： v h = e + j o ee v e = 一j 酗h 因磁特性不明显，故仅对电场e 作处理，有： v 叫甜 厂 v 2 豆= l 缈 l ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 上述波动方程中g f1 一旦l 即为前文的复介电常数，为磁导率；磁场h 的处理与 嬲 其完全对称。由波动方程，电磁波的传播复阻抗可表示为： 其中为衰减因子为： 传播相位因子为： 0 七jb = j r ：一r 。时，可忽略圆柱两端的边缘 效应【7 1 。 1 3 刈圈 中北大学学位论文 窜* 秘! 氇 j 强籁 图3 3 同心柱型电容传感器原理示意图 3 1 2 电容传感技术的发展现状 电容式传感器以其非接触测量，稳定性好等优点在非电量的电测量中有着广泛的应 用。近年来，随着数字电路技术在电容检测及信号处理方面的融入，电容式传感器在测 量分辨率及敏感范围方面有了很大的提高。例如在电容层析成像技术中，电容分辨率已 经达到了0 0 3 5 f f 8 】；在大量的位移检测中也已能达到1 4 0 h m t 9 1 。 相比其它类型的传感器，电容传感器的优点是： 1 、体积小，结构简单； 2 、响应时间短，适合于在线和动态测量； 3 、具有高灵敏度，又因为其极间的电磁吸引力十分微小，从而保证了比较高的测量 精度。 4 、由于检测头结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以它能承受相当大 的温度变化及各种辐射作用，因此可以在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 由于电容式传感器具有上述优点，国内外普遍认为它是未来很有发展前途的传感器 1 0 , - - 1 2 1 o sm h u a n g 提出：在工业应用中，选择和设计电容式传感器时，应重点考虑所谓性 能指标如下： 1 、低漂移； 1 4 聋 鬻；l；。熏 中北大学学位论文 2 、高而稳定的灵敏度； 3 、环境温度效应； 4 、对寄生电容免疫； 5 、检测频率范围； 6 、传感器平行泄漏电阻； 7 、外界电场免疫； 8 、电路复杂性和成本； 虽然电容式传感器有很多优势，但仍然有许多相关的问题有待研究人员的努力。目 前，各国科学家都致力于从电极结构和检测电路两方面来改善电容式传感器的性能，如 提高稳定性、增强灵敏度、扩大线性范围、提高精度等。为了充分发挥电容传感器的优 点，同时改进电容式传感器在实际应用中的缺陷，对电容式传感器做深入的研究和开发 是一项很有意义和价值的工作【1 3 】。 3 2 本课题所用电容传感器的设计 电容传感器的设计原则如下所述： ( 1 ) 在结构设计及确定结构尺寸时，应尽量提高传感器的电容，因为这可以降低 它的输出阻抗和减轻对测量电路及传感器绝缘的要求，同时也提高了传感器的灵敏度。 为了提高传感器的电容，极板间的距离应根据工艺和结构条件尽可能的减小。 ( 2 ) 为防止极板间击穿应加入绝缘介质，绝缘介质应选用介电常数大的材料，以 利于提高电容，因而也提高了灵敏度。 ( 3 ) 电容传感器设计时的重要问题之一是电极板的绝缘和固定。陶瓷绝缘材料具 有很好的性能，但是它的表面电阻很大程度上与污染和湿度有关，所以在选择极板固定 方法时，需要预先考虑怎样使表面绝缘电阻对全部漏电阻有最小的影响。一般绝缘材料 常选用聚四氟乙烯。 ( 4 ) 为了使电容传感器极板间的距离不随温度变化，必须选用具有相应线膨胀系 数的材料，以减小传感器的零点漂移。 ( 5 ) 在给定电容的情况下，传感器的输出阻抗随频率提高而降低，所以电源电压 频率的选择不应低于5 0 0 - l o o h z ，而大多数测量电路的工作频率为1 0 5 1 0 7h z 。 15 中北大学学位论文 ( 6 ) 传感器的容许工作电压决定于击穿电压。在额定气压下和极板间距为 0 1 1 o m m 时，空气的击穿电压为2 3 k v m m 。对于大多数电介质，在额定温度下纯 粹电气击穿的击穿电压为1 0 0 5 0 0 k v m m 。有电介质的传感器，容许工作电压和传感 器的几何参数、热参数和电参数均有关，容许工作电压随频率的提高而降低。 ( 7 ) 电容传感器的初始电容一般很小，一般为2 0 l o o p f ，而传感器的连接电缆 则很长，屏蔽电缆本身电容很大，最大的可以达到上百p f ，最小的只有几个p f 。当 较长的屏蔽电缆的电容与传感器电容并联时，传感器的电容相对变化大大降低，因而使 传感器的灵敏度相对降低。另外电缆放置的位置及形式，所带来的寄生电容对传感器的 稳定工作都有很大的影响。 为了消除电缆因素的影响，有种方法是将电子测量线路的前置级或全部装在紧靠传 感器的地方，如果采用超小型大规模集成电路，将全部测量电路装在传感器壳体内，电 缆电容的影响将可以忽略。 ( 8 ) 因为电容传感器除了极板间的电容外，极板还可以与周围物体之间产生电容 耦合，这种附加的寄生电容，对传感器的稳定工作极为不利。 为了克服这种寄生电容耦合，最常采用的方法是对电容式传感器及其引出线采用屏 蔽措施。将电容式传感器放在金属屏蔽罩内，屏蔽罩的外壳接地；同样将引出线采用屏 蔽线，将屏蔽网接地。这些措施都将起到消除外界静电场、交变电磁场等干扰的作用【1 4 1 。 3 2 1 传感器结构及其结构参数的选择 由于本课题研究的检测系统是用来检测火药含水量的，所以电容传感器要能够灵敏 地感应得到含水量的变化。物质含水量的变化直接影响物质的介电常数，因此电容传感 器此时需要能够感应出物质介电常数的变化。所以在电容传感器的选择上应该选择变介 电常数式电容传感器。 考虑到火药的在线检测要求，为了使火药能顺利通过传感器的敏感区域，而不产生 挂壁现象，最好采用平行板的结构形式，同心柱型电容传感器中间电极会影响通过速度。 因此可以选用形式如图1 4 的电容传感器为本系统传感器。 1 6 中北大学学位论文 传感器极板一传感器极板。 图3 4 变介电常数式电容传感器原理示意图 这种传感器的物理模型为： c = 曼d s = 曼d s 。占， ( 3 2 ) u， 其中a c 为电容的变化量，s ，为极板间介质相对介电常数的变化量15 1 。 这种传感器的测量范围和灵敏度设计如下： 取水的介电常数为7 0 ，火药的介电常数为3 ，空气的介电常数为l 。平板电容的几 何参数设计如下： 根据已有数据，火药传送速度为5 0 - 9 0 k g h ，火药堆积密度( 按球形计算) 约为 4 8 3 6 堙m 3 ，即体积传输速度约为1 0 3 3 1 8 6 1 l h 。检测机械需装载的火药量为1 l ，所 需装载时间为3 4 8 5 s 1 9 3 4 s ，因火药药粒直径为5 m m ，选用的极板距离d 为2 0 m m ；根据 平板电容忽略边缘效应的条件：s d 2 ，即s 4 0 0 m m 2 = 0 0 4 c m 2 ，所以取 s = 4 0 0 c m 2 = 0 0 4 m 2 ，则正对的测量体积为0 8 l 。 则空载电容( 电介质为空气) ： c ：掣：2 8 8 5 l o 。1 2 1 f ：1 7 7 ( 3 3 ) 矗 装满水的电容： c ：兰堡善竺：2 8 8 5 l o 1 2 7 0 f 1 2 4 ，z f ( 3 4 ) a 17 中北大学学位论文 以一种介电常数为3 的被测药粒为例，装满药的电容，考虑粒状结构，装载量为 7 2 3 ( 按球形计算) ，则电容为： c ：e o e _ i s 7 2 3 + 兰逆2 7 7 口 d = 2x8 8 5x1 0 mx3x7 2 3 + 2x8 8 5x10 也xlx 2 2 7 ( f ) ( 3 5 ) 4 3 3 p f 如果药粒含水量为l ，则计算电容： c ：c o s - t s 7 2 3 + 掣7 2 3 1 + 鱼堕2 7 7 d dd = 2 8 8 5 1 0 一2x 3 7 2 3 + 2 x 8 8 5 x 1 0 1 2 7 0 x 7 2 3 x 1 ( 3 6 ) + 2 x 8 8 5 x 1 0 2 1 2 2 7 ( f ) 5 2 2 6 p f 如果含水量为5 0 ，则计算电容： c ：掣7 2 3 7 2 + 掣删7 2 5 0 + 一6 0 s 2 s 2 7 7 dd d = 2 8 8 5 1 0 1 2 3 7 2 3 + 2 8 8 5 1 0 一旺7 0 7 2 3 5 0 ( 3 7 ) + 2 8 8 5 1 0 1 2 1 2 2 7 ( ，) 4 9 0 2 0 p f 根据以上数据，电容测量范围为1 5p f 5 0 0 p f 。 3 2 2 传感器的面积、距离等的误差分配 由误差理论知，误差分配与合成原理是指系统的总误差是由各个环节的分项误差共 同作用而形成的。即总误差是各个分项误差的函数，由总误差可以分配各分项的误差的 大小；反之，由各分项误差可以合成总误差。 按随机误差来合成，且认为各个直接测量一，x ：，x 。相互独立，用标准偏差 表示误差的传播关系，该原理可表示为： 1 8 中北大学学位论文 y = f ( x l ，x 2 ，x n ) ( 3 8 ) 式中，y 为间接测量量，即总的测量结果；x 。，x ：，x n 为直接测量量，即各分项测 量的结果； p ，= = 瓜丽焉西i 两 = 扫百可丽 ( 3 9 ) ，为标准偏差表示的总误差；屈；为标准偏差表示的第f 个分项误差；_ o f 为第f 个分项 。 戗二 误差展。的传播系数。 式中d 。为函数的局部误差， d | ：姿p c l ：q l p x j ( 3 1 0 ) c 扰j 若已经给定居，需要确定d ，或相应的屈，使满是 膨压雨丽 ( 3 11 ) 显然，式中d ，可以是任意值，为不确定解，因此一般按t y 0 步骤求解。 按等作用原则分配误差，等作用原则认为各个局部误差对函数误差的影响相等， 即 d l ：d 2 ：q ：牟 ( 3 1 2 ) v n 由此可得 屈，= 隽去= 忑f l y 瓦1 m 或用桶隐误蒡嘉示 19 中北大学学位论文 层2 隽去= 隽言 式中为函数的总极限误差；屈为各项误差的极限误差。 如果各个测得值的误差满足式( 3 1 2 ) ，( 3 1 3 ) ，则所测得的函数误差不会超过允 许的给定值”6 1 。 以上的讨论对于随机误差和系统误差都适用，在这里根据式( 3 1 ) 可知，式中电 容c 能够通过检测电路电压得到，极板面积s 和极板问的距离d 能够通过测量得到，所 以此时的介电常数可以表示为： s ：娶 ( 3 1 5 ) 35 s = ( s 因此介电常数的误差可表示成： s = d a c + 导d + 倒( 一古) 心 c 3 6 ， s is 2j 上式中，s = 0 0 4 m 2 ，d = 0 0 2 m ，当c = 0 0 0 1p f ，c = 1 5 p f 时，根据误差平均分 配的原则可得： g = 0 0 0 1 5 p f 耽 ( 3 1 7 ) 解得a d = 1 3 3 1 0 - 6 ，竹 、丛= 一2 6 7 1 0 - 6 m 2 不考虑误差时的介电常数为 g 年= 7 5 p f m 实际此时的介电常数为 s - = 7 5 0 0 0 1 5 p f m 当a c = o 0 0 l ，c = 5 0 0 p f 时，根据( 3 - 1 6 ) 式可得 占= 0 0 0 1 5 p f m d = 4 x1 0 8 胧 2 0 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 中北大学学位论文 不考虑误差时的介电常数为 此时真实的介电常数为 z x s ：一8 10 8m 2 s 2 = 2 5 0p f m s 上= 2 5 0 0 0 0 1 5 p f m ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 所以介电常数的测量范围是：7 5 o 0 0 1 5 p f m 2 5 0 0 0 0 1 5 矿历，前文中已经 箅m 需要枪测的介电常数范围是8 8 5 p f m 2 4 5 1 p f m ，因此能够满足系统需要，但 d 和s 最小达到1 0 m ，现实中比较难实现，因此采用误差平均分配理论并不是很合 适。 接着我们重新讨论，这次将不再按照误差平均分配理论计算，假设d = 1 0 q m 和 a s = 1 0 _ 6 m 2 ，因为在实际检测中1 0 - 3 m 的检测精度可以很容易控制，利用最小刻度为毫 米的的直尺就能实现，则当a c = o 0 0 1p f ，c = 1 5 时有 这时的真实的介电常数为 s = 0 3 7 5 7 p f m ( 3 2 6 ) s 百= 7 5 o 3 7 5 7 p f m 当a c = 0 0 0 1p f ，c = 5 0 0 p f 时有 这时的真实的介电常数为 占= 1 2 5 0 6 7 5 p f m s l ：= 2 5 0 1 2 5 0 6 7 5 p f m ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 所以介电常数的测量范围是：7 。5 0 3 7 5 7 p f m 2 5 0 1 2 5 0 6 7 5 p f m ，因此不能 够满足系统需要，需要重新调整a d 和丛。 令d = 1 0 。4 m ，a s = 1 0 “m 2 ，这样的精度在实际中还是比较容易实现的。当 21 中北大学学位论文 a c = o 0 0 1p f ，c = 1 5 p f 时， a 6 = 0 0 3 8 1 8 7 5 p f m g - = 7 5 0 0 3 8 1 8 7 5 p f m 当a c = 0 0 0 1p f ，c = 1 5 p f 时 s = 1 2 5 6 7 5 p f m s 上= 2 5 0 1 2 5 6 7 5 p f m ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) 所以介电常数的测量范围是：7 5 o 0 3 8 1 8 7 5 p f m 2 5 0 1 2 5 6 7 5 p f m ，能够满 足系统需要。 3 2 3 环境温度和湿度等对检测精度的影响 精度表示测量结果与被测的“真值”的靠近程度。精度一般在效验或标定的过程中 来确定，此时“真值 则靠其它更精确的仪器或工作基准来给出。精度一般用“极限误 差”来表示，或者用极限误差和满量值之比按百分数给出。电容传感器具有高灵敏度和 高精度等优点，但这许多优点都与传感器的正确设计，正确选材及精细加工工艺有关。 同时，也应注意影响其精度的各个因素，这里将讨论温度和湿度因素对检测精度的影响。 环境温度的改变将引起电容式传感器各零件几何尺寸和相互间几何位置的变化，从 而导致电容传感器产生温度附加误差，这个误差尤其在改变间隙的电容传感器中更为严 重，因为它的初始间隙都很小，为了减小这种误差一般尽量选取温度系数小和温度系数 稳定的材料。如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金，今年来又采用在陶 瓷或石英上喷镀金或银的工艺。传感器的电容值与介质的介电常数成正比，因此若介质 的介电常数有不为零的温度系数，就必然要引起传感器电容值的改变，从而造成温度的 附加误差，使检测精度降低【1 7 】。这样的温度误差可以用后接的测量线路进行一定的补偿， 欲完全消除是困难的。 本系统的工作环境是火药的生产车间，由于火药易燃易爆的特殊性，所以生产车间 的环境湿度较大，因此也需要考虑湿度因素对检测精度的影响。空气中较大的湿度会使 2 2 中北大学学位论文 电容传感器两极板间存在较多的水蒸气，当检测时传感器会误以为是被测火药中的水 分，从而降低检测精度，空气中湿度越大，对检测精度影响也越大。 3 2 4 传感器的漂移计算 漂移指外界干扰下，传感器输出量发生了与输入量无关的、不需要的变化。常表现 为零点漂移和温度漂移。零点漂移指零漂，指传感器在无输入或输入量不变时，其输出 值偏离零值( 或原指示值) 的现象。温度漂移简称温漂，指在温度变化时，传感器输出 量偏离正常值的程度。可以采用数字补偿技术对传感器的温漂问题进行补偿。传感器在 使用过程中均会有漂移，这是无可避免的【1 8 】。在实验过程中，当传感器中为空时，测得 此时电容值为： c 密= 0 9 6 7 2 8 p f ( 3 3 4 ) 那么巳就为此电容器的零点漂移。 3 2 5 传感器的灵敏度计算 计算一粒药引起的电容变化为( 设药粒为球形，体积为0 0 6 6 m 1 ) c ：e o e l s 0 0 0 8 2 5 d = 2 8 8 5 1 0 1 2 3 0 0 0 8 2 5 f o 0 0 4 4 p f ( 3 3 5 ) 我们现有的电路可以对电容的测量达到0 0 0 1p f 精度，通过试验，证明可以准确测 量检测要求中第四种物料的含水量。 3 2 6 检测频率范围 常见的用于电容检测的电桥电路主要有普通交流电桥、紧耦合电感臂电桥、变压器 电桥、双t 二极管交流电桥、惠斯登电桥等，根据已有研究基础，图3 5 所示为由电容 c 、c 0 和阻抗z 组成的一个交流电桥的测量系统。 2 3 中北大学学位论文 图3 5 检测电路原理图 图3 5 中c 为电容传感器的电w - ，z 7 为等效配接阻抗。用高频电压源产生等幅高频 交流电压u 输入电桥对角线两端，由电桥另一对角两端输出电压u o 。各配接元件在初 始调整至平衡状态。当传感器电容c 变化时，电桥失去平衡而输出电压，此交流电压的 幅值随c 而变化。电桥的输出电压为 玩= 等6 1 ( 3 3 7 ) 式中z 为电容臂的阻抗，a z 为传感器电容变化时对应的阻抗增量，z 0 为电桥输入端放 大器的输入阻抗。 这种交流电桥要求供给幅度和频率都很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入 阻抗z 0 很高。测量系统的动态响应受电桥交流电源频率的限制。一般要求交流电源的频 率为被测信号最高频率的5 1 0 倍。在本系统中交流电源的频率范围为0 5m h z ，被测 信号的最高频率可达到1m h z 【1 9 1 。 3 2 7 传感器平行泄漏电阻 2 4 浮砖 一 竺z 万 中北大学学位论文 电容传感器的容抗都很高，特别是当激励频率较低时，当两极板间总的漏电阻若与 此容抗相近，就必须考虑分路作用对系统总灵敏度的影响，它使灵敏度下降。因此，应 选取绝缘性能好的材料作两极板问支架。如陶瓷、石英等。当然，适当地提高激励电源 的频率也可以降低对材料绝缘性能的要求。 图3 6 电容传感器等效电路 图3 6 中c 为电容传感器，尺。为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电损耗和介质 损耗：尺。为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属 支座等损耗电阻，三为电容及引线电感：c 。为寄生电容，克服其影响，是提高电容传感 器实用性能的关键之一。在高频激励时，有需要考虑的存在，会引起有效电容的变化， 从而引起传感器有效灵敏度的变化。由上述可知传感器的泄漏电阻可以通过计算r 。得 到