（纺织材料与纺织品设计专业论文）纱条条干均匀度测试仪新型专用电容传感器的研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

摘要 r 7 7 7 5 1 2 摘要 目前各个国家及相关企业把条于均匀度仪当络纺织专用测试仪器中的镑商点泉 争夺。一方面，彼此地竞争，促进了产品的按术进步及质量麴提离。另一方瑟，技术 封锁和保密也是窀前的，极大地阻碍了条于测试技术、条于分孝厅技术的研究与发展。 所以研制全数字化纱条条干均匀度测试仪与硪究平台，对予好破冒步 技术壁垒，提高 我国条干测试技术、条于分析技术的研究来说意义重大。本课题侔为研制全数字化纱 条条千均匀度测试仪项圈的子课题，为该仪器硪劁了秘靳型专熙电容传感器。 目前，国外新型条予仪专用传感器的技术封锁比较严密，恧国蠹备厂家煞传黪器 都还是仿胄8 国外上世餐八十年代静产品，技术相对落鹾，检测电路所用到约元器件性 能已经不能满足要求，并且这些元俘大都已经停产，供货缀本褥不烈保证。网融孱内 务厂商又不憨慧投入力量开发新鼙专用传感器，所以这方颟的研究在我国还属予窆 囱。 本课题针对以上情况，设计了一种条干彼专用新艇电容传感器。在设计媲程中， 傣惑嚣菝零、梭溅毫路鼓拳、魄沥淫谂、磋髂技术都褥笺了缀好靛蠹羯。谖簇磺究了 滋漫度变化、边缘效威、绝缘树辩蔚选释、制造工艺以及试榉阐潮率镣拨素辩平行扳 邃察嚣溅试缕袋匏彰孵，劳基采惩了穗巍戆孵决方案，敬褥了蹇簿静效柒。在梭嚣电 臻设计涟程中，采用了谱多新搬元嚣件及电路，这些新型元器件的醚阿使停卷设计的 撞鬻嚣在稳定瞧、糖嶷移灵敏度上餐魄两类褥感器骞较大越掇褰。竣诗懿蚤菸苓帮霄 针对性她采熙丁靛干揽措撼，遮些措施韵应用有效地榔制了诸如空阿于_ 抗、敷源干抗 羰及嚣旗转秘煞予撬镣，使役嚣戆撬予撬裁力褥爨避步提褒。 最厩终者邋过实黢将本溅壤鼢设计与髫漆瑗有纹器进行了性能对院，绉呆表鞠， 擎耆浚诗鹤条予铰赣燮专臻转缝器豹梭缝基零遮爨了设诗敷癸求。表鞠袋爨熬设诗楚 合璎的、可靠麴。试验样机髂观了测爨精度离、瑟敏凌好、秣应迅速、稳定性好、抗 苄撬熬力强等姆患，宠全霹滋佟走薪型条予纹豹专弱键感器寒镬震。 戮时间、入力葶n 物力键祭份的限制，有些闯题滏待进一步研究解决。 关键谢：条于均匀度测试，电容传感器，援测瞧路 a b s t r a c t s t u d yo nt h en e w t y p ea n ds p e c i a lc a p a c i t o rt r a n s d u c e ro fe v e n n e s s 致s t e r a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ee v e n n e s st e s t e r , a st h et o po ft h es p e c i a lt e s t e ri nt e x t i l ef i e l d ，i sc o n t e s t e d b ym a n yc o u n t r ya n de n t e r p r i s e + o nt h eo n eh a n d ，t h et e c h n o l o g ya n dq u a l i t yo f m a n u f a c t u r eh a v eb e e ng e h i n gi m p r o v i n gb e c a u s eo fc o m p e t i t i o n ；o nt h eo t h e rh a n d ，i ti s av e r ys e r i o u sp r o b l e mt h a ts t u d yo ft h ee v e n n e s st e s ta n da n a l y s i st e c h n o l o g yi sb l o c k e d ， b e c a u s et h et e c h n o l o g yi sb l a n k e do f f s oi ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ed i g i t 番a n d n e w - t y p ee v e n u e s st e s t e ra n dt h es t u d yf l a tr o o fi no r d e rt ob r e a kt h ef o r e i g nt e c h n o l o g y b u l w a r ka n di m p r o v et h ed o m e s t i ce v e n n e s st e s ta n da n a l y s i st e c h n o l o g y m yp a p e rq u a s u b - t a s ko ft h ed i g i t a la n dn e w - t y p ee v e n n e s st e s t e ri t e mh a sd e s i g n e dan e w - t y p ea n d s p e c i a lc a p a c i t o rt r a n s d u c e rf o r t h et e s t e r n o w a d a y s ，t h et e c h n o l o g yb u l w a r ko ff o r e i g nn e w - t y p ea n ds p e c i a lc a p a c i t o rt r a n s d u c e ri s t h i c k a n da l ld o m e s t i ct r a n s d u c e r sa r em o d d l e do nt h ef o r e i g nm a n u f a c t u r ei n1 9 8 0 s ，s o t h e i rp e r f o r m a n c ea r eb e h i n d h a n da n dm a n yc o m p o n e n t st ob eu s e dh a v e n tb e e np r o d u c e d + a tt h es a m et i m e , d o m e s t i ce n t e r p r i s e sa r eu n w i l l i n gt or e s e a r c ht h en e w - t y p ea n ds p e c i a l t r a n s d u c e r , s oi ti sb l a n ki no u rc o u n t r y i np a p e g , a u t h o rd e s i g n e d 鑫n c w - t y p ea n ds p e c i a lc a p a c i t o rt r a n s d u c e r i na l lp r o c e s s , a u t h o rm a d eg o o d 澈o ft r a n s d u c e rt e c h n o l o g y , m e a s u r ec i r c u i tt e c h n o l o g y , e l e c t r i cf i e l d t h e o r e t i c sa n dh a r d w a r et e c h n o l o g y f u r t h e r m o r ea u t h o rs t u d i e dt h ef a c t o ro fa f f e c t i n g m e a s u r er e s u l t ，f o re x a m p l e ，c h a n g eo ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , e d g ed o m i n oa f f e c t ， c h o i c e 艇i n s u l a t e dm a t e r i a l ，e r a f l w o r ka n ds a m p l er e v e r s i o nr a t ea n ds oo n ，a n db r o u g h t f o r w a r dt h er e s o l v em e a n s 。a to r et i m e xa u t h o rd e s i g n e dn e wm e a s u r ec i r c u i ta n du s e d m a n yn e w t y p ec o m p o n e n t ，w h i c hi m p r o v e dt h es t a b i l i t y , p r e c i s i o na n dd e l i c a c yo fm e t e r ；, i nd e s i g n i n gp r o c e s s ，m a d eu s eo fa n t i - j a m m i n gs t e pi no r d e rt oi m p r o v ea n t i - j a m m i n g a b i l i t yo f c a p a c i t o rt r a n s d u c e r f i n a l l y , a u t h o re x p e r i m e n t e dt oc o n t r a s to f 黼f f o r m a n c e o fs i m i l a rt r a n s d u c e ra n da u t h o r s d e s i g n t h a tr e s u l tm a d ek n o wt h a tt h ed e s i g n e dn e w t y p ea n ds p e c i a lc a p a c i t o rt r a n s d u c e r i sf a m o u s 。m a d ec l e a rt h a ta u t h o r sd e s i g nw a sl nr e a s o na n dc r e d i b l e ，t r i a lm e t e rh a v e c h a r a c t e r i s t i co fh i g hp r e c i s i o n ，g o o dd e l i c a c y , r a p i dr e s p o n s e ，g o o ds t a b i l i t ya n ds t r o n g a n t i - j a m m i n g s oa u t h o r sd e s i g ni sv e r ys u c c e s s f u l p o s t g r a d u a t e ：l in i n g b o ( t e x t i l em a t e r i a la n d t e x t i l ed e s i g n ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gy l x i n k e y w o r d s ：y a me v e n n e s st e s t ，c a p a c i t o rt r a n s d u c e r , m e a s u r ec i r c u i t 。 第一牵绪论 1 绪论 1 1 引言 纱线、粗纱、条子的条干均匀度是指纱条沿长度方向粗细变化的情况，它是纱 条品质的重要指标，条干不匀会反映在强力、伸长、线密度以及染色等物理指标的 不匀中，给后加工造成困难并影响其产品质量【1 1 。条干均匀度仪是目前世界上广泛 采用的用于测量纱条随机性不匀和周期性不匀的电子仪器，是衡量纱条轴向粗细不 匀程度、控制半成品纤维或成品纤维质量的经典而又有效的仪器之一。纱条条干均 匀度仪在我国纺织工厂中已广泛使用，并成为纱条均匀度评价分等及纱条不匀结构 分析的主要手段吐纱条条干均匀度仪属于纺织高科技产品。 自从1 9 7 0 年瑞士鸟斯特( u s t e r ) 公司推出u s t e rt e s t e ri 纱线条干仪以来， 技术不断改进，测试指标不断增加，功能不断增强，到目前为止，已经升级换代至 t i s t e r - 4 。新型l r s t e rt e s t e r4 - s x 采用模块系统，便于客户使用，该仪器能满足 纺纱者的多种需求。其基本模块采用了最新发展的电容传感器，适于测试短纤纱， 精度可以提高1 0 。改进的模块可实现光学测试毛羽，并采用两个完全新型的光学 传感器测试如棉籽壳碎片、纱线形状和直径等参数。u s t e rt e s t e r4 - s x 的操作为 满足客户需要已被简单化。该仪器不仅可以储存所有数据，而且还可绘制出报告的 各种图形，如用于趋势分析的长片段报告；另个特点是在测量的同时可打印出报 告来。关于曲线图的所有储存结果可重新调出来进行研究，必要的话可调整曲线图 的比例。由于u s t e rt e s t e r4 - s x 测量的参数增加，因此重点研究开发智能元件， 以帮助客户处理大量的新数据。这些智能元件可鉴别测试结果，其软件可对客户所 需的基本参数进行大量的数据处理，如预设值的偏差能作为一个特殊的报告被打印 出来。该系统能够显示机器元件缺陷造成的周期性错误。这个功能大大缩短了从检 测到纠正错误的时间，提高了纱线质量，大大减少了废料，增强了客户的竞争力【3 1 。 在中国，1 9 8 7 年前后分别推出了y g l 3 1 ( 陕西宝鸡长岭) 和y g l 3 3 ( 苏州长风) 型纱线条干均匀度仪，1 9 9 3 年至1 9 9 5 年分别鉴定y g l 3 5 型条干仪和y g l 3 3 a 型，技 术水平和u s t e r i i i 相似或略低。到现在，u s t e r 公司推出了全计算机型的u s t e r - 4 ， 中国推出了全计算机型的y g l 3 5 g 、y g l 3 6 ( 长岭) 、y g l 3 3 c ( 长风) ，其中y g l 3 5 g 型条 干仪除了完全实现了u s t e r i i i 型的全部技术指标和功能外还增加了偏移率门限 曲线、线密度( + 1 0 0 + 2 3 0 ) 频率分布图和c v 值水平、不匀指数i 值水平和专家诊 断分析系统，并对变异系数切段长度曲线实现了实时7 5 点自动计算，使电容条 干测试分析系统的水平跃上了一个新的台阶。另外y h l 2 1 在线条干仪可用于在细纱 机上逐锭对纱线条干进行检测，操作简单易行：y g l 3 5 t 条干仪专门用于前纺，提供 薷一章绪论 条子黧穰纱懿e ￥藿、波谱圈；y g l 3 6 搿溅塞条予、狂纱、缨纱，提供e ￥篷、1 2 接 纱疵值、d r 德等很多图形数搬，而且罗拉转速和启动停止均完全实现自动控制； y g l 3 6 a 在y g l 3 6 爨基磷圭增鸯彗了毛饔葫戆，哥搓珙u s t e r 定义戆 l 焦梭溯净】。 但是总体上来看，国内的产品与u s t e r - 4 相比，技术含量、稳定性、系统功能 瓣可扩展、应建按寒支撵等均露较大蘩题。遴翻纹器瓣售徐约i 0 0 万廷庄套( 奄辫 件、软件模块肖关) ，豳产仪器售价约3 0 万元左右。 1 2 条干均匀度仪的国内外研究现状 现代科技的发展，促进了电子技术、计算机技术和新型传感器技术的不断更新， 使得纺织检测技术水平迅速提高，检测仪器的自动化程度也进一步提高和完善，然 而现在自动化程度的提高已经不像过去那样只是片面的强调效率，而更多的是为了 提高检测质量、稳定性、灵敏度和易操作性。自动化控制从单机发展到了计算机联 网，方便了数据的采集和管理，并大量采用先进的微电子技术、计算机技术及数字 化技术【5 】。这些新技术的应用在国外主流纺织检测仪器上随处可见，如以上所介绍 的u s t e rt e s t e r4 。 我国研究、生产纺织检测仪器已有数十年的历史，纵观我国生产的纺织检测仪 器，绝大多数都是仿造国际上已有的产品，再加上我国的生产制造水平不高，使得 我国的纺织检测仪器很难在世界纺织检测仪器市场上占有一席之地。因此我国的纺 织检测仪器不仅要在价廉物美上做文章，而且要推出具有独创设计的产品1 6 j 。 当前实验室测试仪器不再是单纯的测试手段，而已成为纺织企业信息管理系统 的一部分。国产的纺织测试仪器厂商近来开发了不少新产品，计算机技术也开始在 各种仪器中应用；但在品种上仍存在添平补齐的问题，在性能和功能上尚需向多功 能、集成化、模块化和智能化迸一步发展，从而提高机电一体化的水平，并逐步纳 入信息管理系统1 7j 。 各个国家及相关企业把条干均匀度仪当作纺织专用测试仪器中的制高点来争 夺。一方面，彼此的竞争促进了产品的技术进步及质量的提高，另一方面，技术封 锁和保密也是空前的，极大地阻碍了条干测试技术、条子分析技术的研究与发展， 国内条干测试分析技术的现状已经充分说明了这一点( 其改进大多是解决稳定性和 可靠性方面的问题) 。新型条干仪的研制成本在逐渐增加，如投入关键技术力量多 人，耗费约7 0 万元，历时5 年研制出中国第一台条干仪，而电脑条干仪则耗费2 6 0 多万元，历时3 年半才完成，其中的主要原因在于；a 没有研究平台，难以获得所 需的基础数据；b 外界力量较难介入，技术封锁和沟通困难，技术参数及数据接口 不公开，无法进行二次开发；c 所有仪器是面向企业用户的，测试时只能进行简单 条件设置，而基本参数无法调整，如采样频率、数据处理方法、波谱图调整，技术 第一章绪论 磷究困难较大；d 藤来依靠硬彳孛安瑷静秘指标，瑷在震软律代替，技术麓霹学习 模仿性降低。 1 3 课题的意义及研究的内容 研制全数字化纱条条干均匀度测试仪与研究平台，意义重大：一方面，条干仪 若以计算机为平台，从数据的采集，到数据的处理和最终的显示都用计算机软硬件 来实现，并使软硬件模块化，可以带来制造成本的下降、精度的提高、处理上的灵 活性、功能上的强大性、使用上的易操作性和友好性、维护上的方便性、需求上的 易扩展性；另一方面，原始数据可以保存到计算机，以后可不断的被利用，根据不 同的算法由软件得到指标，方便数据处理技术的研究，相应算法模块的更新，意味 着条干仪的更新。 现代信息技术主要有三大支柱：一是信息的采集技术( 感测技术) ，二是信息 的传输技术( 通信技术) ，三是信息的处理技术( 计算机技术) 。所谓信息的采集是 指从自然界中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。信息的采集是通过 感测技术实现的，因此感测技术实质上也就是信息采集技术。显而易见，在现代信 息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础环节，没有“采集”到的信息，通信 “传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”吼敏感元件及传感 器作为信息技术和信息系统的关键基础元器件和最前沿工具，其技术水平直接影响 检测控制系统及信息系统的技术水平，起到促进传统产业和行业的技术跳跃式进 步，同时拓展和涉足新的非传统领域应用的作用。因此，传感器技术在现代信息社 会的作用将更加重要 9 1 。2 1 世纪初期( 2 0 1 0 年前后) ，敏感元件与传感器发展的总 趋势是小型化、集成化、阵列化、多功能化、智能化、系统化和网络化。传感器领 域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国竞相并加速新一代传感器的开 发和产业化1 0 i 1 1 1 】。所以在全数字化纱条条干均匀度测试仪的研制中，传感器应该作 为一个重点环节来研究。 本文的主要研究内容有： a 研制新型条干仪专用电容传感器： b 研究分析电容传感器技术特性，并对现有电容传感器的结构进行改进： c 传感器信号检测电路的设计和制造，提高测量精度、灵敏度及稳定性。 本课题的主要难点有：电容传感器的零点漂移、抗干扰，以及信号的处理。 第二章榆测器的总体设计 2 检测器的总体设计 2 1 测量方法的选择 2 1 1 传感器类型的选择 a 概述 传感器是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用 的某种物理量的测量装置。 这一定义包含了以下几个方面的意思：传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的 输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是 气、光、电量，但主要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，组成框图见图2 - 1 。 图2 - 1 传感器组成框图 敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的 元件。 转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数量。 转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。 各种传感器，由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标 也不可能相同。但是有些一般要求，却基本上是共同的，这就是：可靠性；静 态精度：动态性能；抗干扰能力；通用性；小的轮廓尺寸；低成本； 低能耗等。 可靠性、静态精度与动态性能的要求是不言而喻的。传感器是通过检测功能来 达到各种技术目的的，很多传感器要在动态条件下工作，精度不够、动态性能不好 或出现故障，整个工作就无法进行。在某些系统中或设备上往往装上许多传感器。 若有一个传感器失灵，会影响全局，后果将不堪设想。所以传感器的工作可靠性、 静态精度和动态性能是最基本的要求f l “。 抗干扰能力也是十分重要的，因为使用现场总会存在这样那样的干扰，总会出 现各种意想不到的情况，因此要求传感器应有这方面的适应能力，同时还应包括在 恶劣环境下使用的安全性。通用性主要是指传感器应可用于各种不同的场合，避免 4 第二章检测器的总体设计 一耱应雳蘩 | 蹇一耱没嚣，达篓| 事圭| 童萌嫠魏瓣戆。箕它足矮簧求苓誊是赛，誉再赘述。 b 传孵器类烈的选择 传感器的分类方法多种多样，按照其测量原理可分类为： 电阻传感器：可将非电量( 如力、形变、速度等) 的变化量，变换成与之有一 定关系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。通常 被测量是与力有关的参量，因此不适于条干不匀的测量： 电感传感器：把被测量转换成线圈的自感系数l 或互感系数m 的变化，一般 适用于位移、压力、流量、振动等物理量的测量【l 叫； 电容传感器：电容测量技术近几年来有了很大发展，不但广泛应用于位移、 振动、角度、加速度等机械量的精密测量，还逐步扩大应用于尺寸、液面、成分含 量等方面的测量【1 4 】。电容极板间的介质、材料厚度的变化就可以起电容量的变化。 目前，在条干不匀的测量之中得到广泛应用，是主流技术： 辐射传感器：包括超声波、红外辐射和核辐射三种形式，红外测厚的精度受 限制因素太多，一般需要一发射装置。一接收装置，在某些要求体积小的场合不适 用，而且抗背景光影响的能力差【”】。超声传感器的探头的分辩力不能小于l o n n ， 所以不能应用于高精度测厚。核辐射式的辐射有半衰期，需要定期校正，成本较高 应用不广泛： 光电传感器：以光电器件作为转换元件的传感器，包括激光光源、光导纤维 和c c d 图像传感器等。激光传感器除了在长度等测量中的一些应用外，还可测量物 体或微粒的运动速度，成本较高：光纤传感器可用于位移、速度、加速度、压力、 温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量地测量；c c d ( 电荷 耦台器件) 传感器主要用于图像采集。高清晰c c d 成象检测技术可应用于纱线外观 测试，模拟黑板条干分等分级，综合条干、毛羽、粗细节等指标，预测织物表面效 果，代表了今后纱线条干检测的新方向，有待迸一步研究。 另外还有压电传感器，磁电传感器等均不适用于条干测量的要求。因此，在条 干不匀测量中选择了电容传感器作为由条干不匀到电量的转化环节。电容传感器在 条干测量方面的主要优点如下1 1 6 】： 电容传感器由于带电极板间的静电引力很小( 约几个1 0 4 n ) ，需要的作用能 量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很 高，动态响应时间短，能在几兆赫甚至几十兆赫的频率下工作，特别适用于动态测 量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测 量高速变化的参数； 电容传感器的带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因 第二章检测器的总体设计 两胃溯摄低静疆力、力帮缦，l 、豹蕊速度、位移等，霉黻骰豹缀灵敏，分瓣力纛，靛 敏感地测量0 o l p m 甚至更小的位移：由于其空气等介质损耗小，采用差动缡构并 接或耩式嚣产囊豹零点漂移辍，l 、，嚣魏兔诲毫鼹透孬嵩镫率敖大，捷纹器具鸯缀离 的灵敏度； 税辕缝橡藩蕈，易于安瑗 接皴式溅豢。因魏慧客抟感器在壤爨测量巾占煮 重要的地位； 邀容黄戆器豹惫容蓬一般与毫极榜辩秃关。懿逡择温度系数甄瓣耪料，又嚣 本身发热极小，影响稳定性甚微。 当然瑷邀客转感嚣舞基磁戆测量系统在技零上著寒这到十全十美，它豹主要鲮 点如下f 7 j ： 输出阻抗高，负载能力差。电容传感器的容量受其电极的几何尺寸等因素的 限制，一般为几十到几百皮法，甚至只有几个皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤 其是当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗很高。由于传感器负载能力很差， 易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重者甚至无法工作，必须采取屏蔽措施， 这给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高( 几十兆欧 以上) ，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能( 如灵敏度降低) ，为此还 要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。若采用高频供电，可降低传感器输出阻 抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作很稳定； 寄生电容影响大。电容传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的 引线电缆电容( 1 2 m 导线可达8 0 0 p f ) 、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与 其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度， 而且这些电容( 如电缆电容) 常常是随机变化的，这将使仪器工作很不稳定，影响 测量精度。因此对电缆的选择、安装和接法都要注意： 极板边缘具有非均匀的曲线式电力线，此边缘效应影响了电容传感器输入一 输出特性曲线的线性程度。 应该指出，随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的高速发展，使电容 传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。电容传感器正逐渐成为一种高灵敏 度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。 2 1 2 检测电路的选择 确定了传感器类型后，还要对检测电路做出相应的选择。选择合适的转换电路， 采用相应的抗干扰措施，才可保证测量的精度、稳定性。 总的说来，电容传感器的典型检测电路有：a 调频电路，b 运算法电路，c 脉 宽调制电路，d 电桥电路等【。在下面的章节中作者将给出各种电路的比较及选择 感应电桥电路的详细说明。图2 2 给出了电容传感器所使用的感应电桥电路。 第：章检涮器的总体设计 辫2 - 2 感瘟电揍法捡测甑路照璎强 2 2 总体设计思想小结 全数字化条干仪是一整套仪器，通常包括检测、控制和计算等几个部分，其中 本课题研究的检测器作为传感设备，用于把纱条沿长度方向的纤维密度分布转换为 电信号。纱条在罗拉的牵引下，以选定的速度通过某一测量槽时，纱条纤维密度不 匀的信息即被检出。检测得到的电信号经后续部分运算处理后，便可得到各项参数。 检测器作为纱条质量传感的一次仪表，是决定条干仪性能的重要部件，是电容 条干仪之所以区别于其他类型条干仪的关键所在。我们设计的检测器要求能准确检 测纱条的不匀率，具体实现过程如下：用三到四片特制极板组成二到三个平行板电 容传感器，并将其连接到电路中组成测量电桥。工作时，由高频振荡电路产生频率 为若干兆赫兹的高频电压，加到测量电桥上。电桥的四个臂中，两臂是电感线圈， 另两个臂是包括测量槽电容器在内的两组电容器。静态下电桥处于平衡状态，无输 出：当某个测量槽内放入纱条后，平行板电容器的电容量增加，使测量电桥失去平 衡，输出一个基本上与电容增量a c 成正比的高频失衡电压，这个电压很微弱，再 由相干检波电路去除高频成份，将得到的低频纱条电压信号经放大电路放大后，送 往计算机处理。检测器的原理框图如图2 - 3 所示。 图2 - 3 检测器的原理框图 第三章电容传感器的研究与设计 3 电容传感器的研究与设计 3 1 平行板电容传感器的原理 3 1 1 平行板电容传感器的理论基础1 1 9 1 平行板电容传感器是以静电场的有关定律为其理论基础，它们主要有： a 两块无穷大的平行导电板( 面电荷密度分别为+ 盯和一盯) 的电场强度定律 极间电场强度为 板外电场强度为 e ：旦 d e = 0 电场方向：垂直于导电板由正电荷指向负电荷。 b 电场强度与电位的关系定律 对均强电场：e = 兰 4 对非均强电场：u = f e 刃 式孛，u 为两稷袄之麓奄往差；d 凳两极援之阕静疆童距离。 c 电场能最定律 w e = 扣* 1 c u 2 = 嬖 式中，w e 为两极板间电场能量；q 为极板的带电融荷量；c 为两极板的电容墩。 3 1 2 平行板电容传感器数学模型的建擞 萋一对警磐叛其瑟积缀大量靠褥缀谶，毫蓑将豢孛在嚣导俸稳瓣豹表嚣上，魄 力线集中在两袋面的狭窄的空间里，外表面干扰对两瓣的电位影响w 忽略不计，我 们把这样的装鬣称为平行板电容器。 馁设：a 它们的表面积均必s ；b 。内裹蔼之闽距离戈艿：c 。极投覆静线长度远 大于它嚣j 之阐豹距离y ，戴辩相当予投板为无穷丈，所以除了边缘矫，两援板内液 两带电均匀，极板间电场也是均匀的；d 两极板a 、b 的带电量分别为q 。 由电荷密度定义：上、下两极板的呶葡面密度分别为 = l ：c r ，= 主要 ( 3 一1 ) 两极板之间的均匀电场强度为 。(3-2) 8 第三章糖容传撼器的研究与设 卡 式中，岛= 8 8 5 x i 0 2 f 掰4 必囊空奔电常数。 a 、b 两极板间的电位差为 = 肛；f 脚蛆占= 警= 器 s ， 由电容定义有 c 矿毒= 壹= 等 e o s 若为任意介质，其介电常数为占，并且用相对介电常数占，表示为 所以 占 占。= 岛 占2 占，e o 则 c a b = - c = 等= 等 ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 式( 3 5 ) 就是平行板电容传感器的工作数学模型，其结构图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 平行板电容器 3 1 3 平行板电容传感器的工作方式及其分析 因为平行板电容传感器的工作数学模型由式( 3 5 ) 决定 o c = 等= ，( 6 ，s ，占) 0 由上式可知，电容c 是三个变量j ，s ，占的函数，所以当被测量的变化能引起其中任 意一个变量发生变化时，都会引起电容c 的变化。通过测量电路就可以转换为电量 输出。因此，平行板电容传感器可分为：变间隙式、变面积式、变介质式三种类型 的工作方式。本课题主要研究变介质式平行板电容传感器。 对变介质式平行板电容传感器来说：万= 常数，s = 常数，所以c = f ( e ) 。 9 第三章电容传感器的研究与设计 设电容的极板间隙为占，极板面积为s ，当有一厚度为d 的相对介电常数为g ，的 固体电介质通过极板间的间隙时，电容器如图3 - 2 所示。 图3 - 2 变介质式平行板电容传感器 此时相当于两个电容器串联而成，每个电容分别为 c i = 筹= 旦5 - dc ：= 竽 s ，2 串联后总电容c 为 c = 器= 硒s o 可s c c 1 + 2 鱼二垡d s t ir 2 式中空气相对分电零数占，；一1 ，到有 c 2 五6 i o s万一d 十二 2 蓿被测圆体厚度变化对，剃介电常数也变化为a 6 r 2 此时电容量变化为 电容相对变化凰为 式中 c + c = _ 8 0 s 了一 艿一d = 一 占r 2 + a 6 22 翮1 d 1 0 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 第三章瞧褰传撼器戆璐究每设诗 甄。l r 一( 3 - 9 ) ”i 蓼丽 s ，。l 疗一担 奁甄q 掌，：胁，：) l 静情嚣下，褥式( 3 7 ) 震开兔缀数，粼 等= 鲁托m 鲁) + i 鲁) 2 - ( 氓铡3 叫螂 鑫式( 3 1 0 ) 琴冕：鸨为灵敏度骧子，鹣必 # 线性趿子，式( 3 - 8 ) 、式( 3 - 9 ) 表甥，n 2 毒墨辩3 与超黢比艿窍关，p d ) d 越小，则灵敏度就越离，非线性就减小， 置n 2 帮n 3 毽又与罱体介窀常数茬，：鸯关。s ，：，l 、豹树料可褥到较熹戆灵敏度秘较低 的非线性( 菇鹜3 - 3 。 图3 - 3n 2 地与阗隙比一d ) d 期彰一矗) 关系曲线 当溺蠹奔电耪科蓐度黪，魏薅t ：= 常数，嚣殍度d 爻窘变量，站封，迦褰稳 辩变纯爨为 等型d 4 碍t ( 3 - 1 1 ) c “，、f d 、7 第兰章电容传感器的研究与设计 式中 4 。翮c r - 1 d 在4 ( 形d ) 1 0 甏，瑟3 6 0 0 废，魄窖交张在0 。6 p f 3 。5 p f 之阕，每1 霆豹0 。3 p 懿 黛化) 可缂得，电容变化1 o 即可能失调。可是考虑到在实际测量过程中游度要按测 黧技术羲求严襁筏截在2 0 2 。c ，还宥番槽静垫片线黪涨系数捐谶，虽然各垫片蘑 艨不一，在温度变化这么小的情况下，所引起的电容变化是非常小的，不会影响仪 器的正常使用。针对现在有个别厂商使用铸铁( 线膨胀系数8 7 1 1 1 x l o 。o c ， 比黄铜小约5 0 ) 垫片来代替黄铜垫片的做法，作者认为此举没有必要，理由如下： a 因为在实测要求的温度范围内，不论是黄铜垫片还是铸铁垫片所引起的电容变化 都是非常小的，没有大的差别；还要提一点就是将两种材料的垫片放在不符合测量 技术要求的大温度变化条件下进行对比实验，看似两者有一定区别，实际对比结果 是没有太大意义的，且结果也表明在小温度变化时差异微小。b 铸铁材料和黄铜材 料相比易受到腐蚀生锈，一旦保养不当，使铸铁垫片生锈，就会产生大范围的零点 漂移，必须由专门技术人员更换垫片并重新调零，过程复杂，周期长，而且铸铁的 导磁率比黄铜大。所以实际使用中不但会增加客户的维护和保养成本，还会增加厂 家售后服务的难度。 3 3 3 结构设计中的绝缘措施研究 电容传感器有一个重要特点，即电容量一般都很小，仅几皮法到几十皮法。如 果电源频率较低，则电容传感器本身的容抗可高达几兆欧至几百兆欧，由于它具有 如此高的内阻，所以绝缘问题显然十分突出。在一般电器中，绝缘电阻有几兆欧就 足够了，但对于电容传感器来说，却不能看作是绝缘，这就对绝缘零件的绝缘电阻 提出了更高的要求。因此，一般绝缘电阻将被视为对电容传感器的一个旁路，称为 漏电阻，考虑绝缘电阻的旁路作用，电容传感器的等效电路可用图3 - 8 来表示。 图3 - 8 考虑漏阻电容传感器的等效电路 漏电阻将与传感器构成一复阻抗而加入到测量电路中去影响输出，更严重的是 第篓章电容传惑器的研究与设计 当绝缘耪辩毪熬不好辩，绝缘魄錾会薅薹l = 境豹滋覆、滋疫蠢变纯，导致黉感器熬输 出产生缓慢的零点漂移。因此谯选用绝缘材料时，不仪要具有低的温度系数和几何 尺寸熬长辩稳怒牲，还疲具毒麓豹绝缘邀疆、爨戆渡濑怪纛毫夔表嚣惫疆。在零设 计中我们选用的氧化铝陶瓷材料能很好的满足以上各黧求。 3 。3 。4 试撵撼精及露溅率毂影晌爵究 理想的检测结果应当单值地取决予纱条纤维质量，应与纤维材料品种和含水量 均无美。毽邀密接感嚣捡嚣愿理疑然基于捡测撩孛分震教会电鬻数照交位，毽嚣试 样的回潮率( 纱条中水份含置w 分率) 不同、潜午品种的纤维材料的混纺比例不同， 必然都会影昀测试电容骢篷，学| 起测试臻差。设计上霹娃采用以下两个媸藏弥静电 容传感器检测原理上的阉有缺陷： a ，建较宽躲测量攮宽度减小纱样会水曩的影翡 为了分析方便，可以将带肖实验材料的平行极板j 暖似看成遐一个多层介质组成 的电容器，如图3 - 9 所示。 图3 - 9 近似的多层介质电容器 电容器的电容量计算如下： 未放入纱条时，平行板电容器的电容量c 0 为 c o = 等 式( 3 1 5 ) 中s o 为空气介电系数，a 为极板面积，d 为极板间距。 放入纱条后电容量为 ll1 c c lc 2 c 1 = 南c 0 ( 3 一1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 第三章电容传感器的研究与设计 q = 昙g 式( 3 1 7 ) 与式( 3 1 8 ) 中g 为空气电容量， 为试样介魄系数。 因为= i ，令c ；c - c o 刘脊 ( 3 - 1 8 ) c ：为试样电容嫩，d 为试样厚度，占 ( 3 - 1 9 ) 式( 3 - 1 9 ) 中7 = 要，称为电容传感器的充满度【2 6 1 。 上， 实耱袭明，空气举羧电容蒋感瓣蠹豹余震糖瓣新弓| 趋懿客嚣穗对交往鬃等， l 0 与该种介质在电容器内充满度刁有荧。两者有如网3 - 1 0 所示的关系。 由潮3 一l o 可觅，潦蹿1 0 辩，耱对交毽爨每耢辩静分毫紫数关系缀小，毽就 是说，水分的影响可减到很小。 根据这个原理，测爨槽的宽度废该选得比纱线壹径宽得多。此外，为傺证满足 上述填态系数妻搴要袋，嚣耋孛必缓缀据试稃熬耱宽簸数选蔫矮定静灏量禳。 图3 - 1 0 等与充满度譬关系蓝线族 u 0 b 厢米波工作频率减小混纺比例差异的影晌 莉 盎 丝q 第三章电容传感器的研究与设计 不简品释纤维材料( 倒魏稀、寐、纯纡涤纶等) 酌介毫常数不同，氇会产生不 同的电容量变化。由实验得知，这种影响会随工作频率的升高丽减弱，当工作频率 达至l 死苑赫敷上眩，可有所缩小，僵这释影蘸经研究谖实无法彻底消除，如雷3 - 1 l 所示。同时还要注意如果工作采样频率低，其检波后所得到的依号就会严重失真( 如 蘑3 - 1 2 a 所示) ，露采群频率越嵩检波籍褥弱瓣信号越好( 魏黼3 - 1 2 b 掰示) ，毽是 采样频率不能道高，因为那样的话得到的数据激太大，将超出后继电路的计算处理 藐力。弦多年采工俸频率螫在4 7 2 e q z 闻逡纾过多次反复改交，近零来謇舔土逶 用的检测器实际工作频率均为1 9 m h z 。 陆 图3 一1 1 频率对纤维一空气混合物介电系数的影响( 相对湿度6 5 ) 厂j _ jl 1 _ 在 r 1 j _ 厂 l i 小 f o 广j - j 、一 o l 1 - 1 ，广 l 厂j ( a ) 低频载波与其包络 一、 k 、 、m 而厂、 iil l l 1 1 、1 l 第三章电容传艨器的研究与设计 第四章检测电路的研究与设计 4 检测电路的研究与设计 检测电路的精度必须与传感器的精度相配合，才能使整机技术指标得到提商。 因此检测电路的设计中必须对各个单元电路进行仔细推敲，稍有疏忽就会使整个设 计陷于失败。电路全部设计包括电路方案选择、单元电路设计与实验，整体电路实 验、技术指标的测试和调试等几个环节。本课题设计的指导思想是提高各个单元电 路的稳定性和精度。 4 1 电容传感器检测方案的选择 电容传感器电容值一般十分微小( 几p f 至几十p f ) ，这样微小的电容必须借助 于专用测量电路来检测，并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。目前常用 的典型线路有调频法检测电路、运算法电路、脉冲宽度调制电路、电桥电路等鲫。 以下针对本课题的情况分别予以分析，以选择较好的方案。 a 调频法检测电路【2 8 i 调频法捻测电路是将传感器的电容燕转化为频率傣号，常用的肖l c 振荡或r c 叛荡。瑷5 5 5 多谱振荡器为铡滋赘其王稼藏理。振荡器熬簸瑾龟籍翔鋈4 - i 掰瑟， 若传感器电容为c 。，则电路振荡频率，与c ，的关系w 表示为 厂：帮黑( 4 - 1 ) 分丙丽 = 霪4 一l 遴凝法检溅电路原毽墨 式( 4 1 ) 中r ，r 2 是e t 躺充放电电阻。可觅，与c ，成反比关系。簧测量c ，或a c ， 种方法可以通过鉴频电路解调出与被测信号成比例的电压信号，再经过放大，然 嚣遴入诗霎筏t 男耪方法还零鞋逶避数字方法实瓣。鼙设法辩，戢琴透露鼗攘 计数。直接对，进行计数。因为振荡周期t = 1 f = k c ，( k 为常数) ，即t 与c ，成正 第四章棱测电路的研究与设计 比，算出r ，也就算出了g 。然后利用c r 参与掇荡的脉冲触发肇片祝定拜尊器的 诗数，经_ 过软l 孛楚瑾褥到与c ，摇或熬t ，霹捡溅基a g 。稳耀4 厂诗雾o 毖较霆 难，而且测蹩的实时性较差。 诧检测滚路静德点是线路结穗鬻攀、受步 赛因素影豌较小。歃纛是工佟点不好 选取，振荡频率的稳定性不足，且频带较窄，导致爨程过小；而且内部杂散电容对 电路懿影舔较大，测爨精度不容荔徽翔太离泌1 。 b 运算法检测电路【删 图4 2 给出了运算法检测电路的示意图。它由传感器电容c ，、固定电容c 。以 及两个运算放大器4 和彳：组成。其中4 为主放大器，4 ：为驱动电缆放大器。图中u ， 为交流信号源电压，砜为交流输出电压。 7 图4 - 2 运算法检测电路原理图 当主放大器的开环放大倍数a 和输入阻抗z 很大时，有 砜一争 ( 4 - 2 ) 式( 4 2 ) 中：z r 传感器电容q 的容抗，乙= 丽1 z o 一固定电容c 0 的容抗， 乙2 丢击 晕 第四章检铡电路的研究与设计 所以 】 u 。= 工2 羁k ：t 旷一百c o u ( 4 3 ) 2 巧贮。 输出电压砜再经过检波精密整流后，便得到所需的直流输出信号。为了消除电 缆引线的分布电容，传感器电缆线采用双屏蔽电缆，并且在内屏蔽层上用放大器一： 予以驱动，其目的是使电缆长度可以延伸到数米，不致淹没传感器电容。 为了防止干扰和减小寄生电容的影响，传感器和运算放大器之间要用低电容屏 蔽电缆连接，但这种接法使电缆电容并联到传感器电容上，电缆电容影响较大。要 采用前述的“驱动电缆”技术，才能防止干扰和消除电缆电容的影响。 c 脉