专利名称：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的制作方法
技术领域：
本发明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P0F，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Y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Pml47，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�：褪髦掷嗟拇邓鼙∧ど撸惶缀舜挪夂褚且鹊缛菔降募鄹窀叱�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(Plast Control)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�。�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
本发明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，本发明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
K、参考电容 、主放大器、传感器测量电容Cj■、信号解调电路、信号分离电路zp、校准放
大电路；测量激励电路K用于产生正弦载波信号，与主放大器、参考电容Q、传感器测量电
容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■^包括有效电极一 I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Cr最外层设置有外屏蔽层9，该屏蔽层有效接地。效电极一 I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 I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Cr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，用于是使计算机上显示的传感器测量电容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Ct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。
图1为电容非导电介质薄膜厚度传感器测量原理示意 图2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3为电容非导电介质薄膜厚度传感器的侧面剖视 图4为图3的俯视 图5为检测机理电路部分硬件框 图6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7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。
具体实施例方式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今变为空气介电常数今与薄膜介电常数的复合，即改变了
电容量的大�。沟缛荽衅鞯牟饬康缛葜涤氡∧ず穸戎湫纬闪巳范ǖ暮叵担佣芄患觳獬霰∧さ暮穸戎�。在一定的温度条件下，设空气的介电常数为,薄膜的介电常数为, 二者可以看作常数，那么含膜空气的等效介电常数为
权利要求
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 检测 电路包括测 量激励电路K、参考电容 、主放大器、传感器测量电容C1■、信号解调电路、信号分离电路￡ρ、校准放大电路；测量激励电路K用于产生正弦载波信号，与主放大器、参考电容q、传感器测量电容CV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。
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包括有效电极一(I)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G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，其特征在于效电极一(I)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(I)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，用于是使计算机上显示的传感器测量电容CV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。
10.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。
全文摘要
本发明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。本发明具有适应性强、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。
文档编号G01B7/06GK102997834SQ20121053556
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者李红民, 马玉真, 郑媛 申请人:山东建筑大学, 济南大学, 济南亚民自动化仪表有限责任公司
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