精密电容式动态在线薄膜测厚仪的研制

　　1　概述

　　随着现代工农业生产的高度发展,作为重要的化工产品,对塑料薄膜、薄陶瓷片及薄玻璃片等产品的厚度测量与控制的要求越来越高。传统的测量方法已远远满足不了现代发展的需要,开发研制一种精度高、线性度及稳定性好的动态在线薄膜厚度测量仪很有必要。本文介绍了一种以8031单片机为核心,采用电容传感器对薄膜厚度进行动态在线测量的仪器。该仪器采用反馈运算方法,同时使用驱动电缆技术,克服了电容传感器输出的非线性,并大大提高了仪器整机的抗干扰能力。测量结果在单片机系统的控制下,时实进行数显,同时将被测过程量的变化情况通过TV板变成视频信号送入视频显示器,直观反映出测量结果的变化趋势。单片机系统还能根据预设置的薄膜厚度公差上下限进行超限声光报警,以便于由人工或机器调整加工控制量,既减轻了工人的劳动强度,同时大大提高了产品质量和生产效率。实验结果表明,仪器在10～1000μm的测量范围内,分辨力为0.01μm,精度优于1μm,线性度好于1%。

　　2　测量原理

　　电容传感器以其温度稳定性好,结构简单,适应性强,动态响应好,可实现非接触测量,具有积分效应等优点,非常适合于在线动态的薄膜厚度测量。对于变极距型电容传感器同时存在着寄生电容影响大、输出特性非线性等缺点,采用高输入阻抗快速运算放大器式电路及驱动电缆技术即可解决上述问题。将电容传感器接入开环放大倍数为A的运算放大器中作为反馈元件,如图1所示,US是精密稳幅稳频振荡信号源,CS是标准电容,CX是传感器电容,Uo是输出电压信号。由运算放大器的工作原理,在开环放大倍数为A和输入阻抗Zi很大时有:

式中ε₀——介电常数

　　ε——介质相对介电常数

　　δ——电容极板间距

　　S——电容极板面积

　　可见放大器输出与电容极板间距成正比。

　　为防止干扰和减少寄生电容的影响,传感器和运算放大器之间要用低分布电容的双屏蔽电缆连接,如图2所示。其内屏蔽层与信号传输导线(即电缆芯线)通过1∶1放大器而成为等电位,从而消除了芯线与内屏蔽层之间的泄放,外屏蔽层接大地用来防止外界电场的干扰。为工作可靠,1∶1放大器需要具有很高的输入阻抗和驱动容性负载的能力,放大倍数准确度为0.01%,且输入输出严格同相,这增加了放大器调整的困难。增大传感器的初始电容可以适当降低对1∶1放大器的要求。

　　传感器以空气为介质,调整好测头的初始距离为h,并使之大于被测薄膜的厚度d,这样可保证仪器对薄膜进行非接触测量。由式(1),此时的输出为: