断细药的微小电容检测方法

第３２卷第６期　２０１０年１２月　

探测与控制学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｖ０１．３２　ＮＯ．６　

Ｄｅｃ．２０１０　

断细药的微小电容检测方法　李士林　，王明泉ｈ　，康晓月　，赵　奇。　（１．中北大学动态测试技术重点实验室，山西太原０３００５１；２．中北大学信息与通信工程学院，　山西太原０３００５１；３．中北大学机械工程与自动化学院。山西太原０３００５１）　

摘　要：针对机械检验法会因药粉、棉花毛等杂质的积聚而使检测失灵，射线检测法在检测药芯的精度上不够　理想的诸多问题，提出了断细药的微小电容检测方法。该方法运用了药芯直径发生变化时介质型电容式传感　器的电容发生变化。可依据这种非电量与电量之间的关系进行测量。仿真表明：它的工作稳定、安装简便、功　耗低，性能可靠，适用于断细药的检测。　关键词：导火索；微小电容；电容检测　中图分类号：ＴＪ４５文献标志码：Ａ　文章编号：１００８—１１９４（２０１０）０６－００４７－０３　

Ｆｉｎｅ　Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｂｒｏｋｅｎ　ａｎｄ　Ｗｅａｋ　Ｐｏｉｎｔｓ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｏｗｄｅｒ　Ｈｏｓｅ　ＬＩ　Ｓｈｉｌｉｎ　，ＷＡＮＧ　Ｍｉｎｇｑｕａｎ　，ＫＡＮＧ　Ｘｉａｏｙｕｅ　，ＺＨＡｏ　Ｑｉ。　（１．Ｋｅｙ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｆａｉｌ　ｆｏｒ　ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｐｏｗｄｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｔｔｏｎ　ｗｏｏｌ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇ　ｗｈｅｎ　ｅｘａｍｉｎｉｎｇ　ｐｏｗｄｅｒ　ｈｏｓｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｘ－ｒａｙ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｆｕｓｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｎｏｔ　ｉｄｅａｌ，ａ　ｆｉｎｅ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｂｒｅａｋ　ａｎｄ　ｗｅａｋ　ｐｏｉｎｔｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｄｅｒ　ｈｏｓｅ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏｒｅ　ｖａｒｉｅｄ，ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｍｅｄｉｕｍ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｏｕｌｄ　ａｌｓｏ　ｖａｒｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｏｏｋ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｎｏｎ－ｅｌｅｔｒｏｎｉｃａｌ　ｆａｃｔｏｒｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈ—　ｏｄ　ｗａｓ　ｏｆ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｅａｓｙ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｄｅｒ　ｈｏｓｅ；ｆｉｎｅ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ；ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　

０　引言　导火索断细药的存在常使导火索的性能变劣，　会给使用导火索时造成危害。因此，在生产中如何　及时发现导火索的断细药是一个急需解决的重大问　题。多年来，各厂进行了大量的试验研究工作，且有　不同程度的进展。在检测导火索中的缺陷，评价导　火索的性能中，我国常使用的机械检验法会因药粉、　棉花毛等杂质的积聚而使检测失灵；射线检测法在　检测药芯的精度上不够理想，而且它对人体有害［１］。　因此，提出了微小电容检测方法。　１　电容检测方法概况　由于近年来检测技术的快速发展，及微集成电　路的问世，对微小电容及微小变化量的检测研究和　对参数的实时监测已越来越受到重视。机械检验法　会因药粉、棉花毛等杂质的积聚而使检测失灵；射线　检测法存在检测药芯的精度不够理想及对人体有害　的诸多问题ｌ＿２］。电容法是基于物体间的电容量与其　结构参数之间的关系，利用电容器中其中一个参数　发生变化的方法来实现信号变换的。电容式传感器　温度稳定性非常好，结构简单，易于制造，易于保证　高的精度；它的动态响应也相当快，还可以实现非接　

＊收稿日期：２０１０—０８—１５　修回日期：２０１０—１０—２１　基金项目：山西省青年科技研究基金项目资助（２００９０２１０１９—２）　作者简介：李士林（１９８５一），男，山西朔州人，硕士研究生，研究方向：信号与信息处理。Ｅ－ｍａｉｌ：４６４７８９６５６＠ｑｑ．ｃｏｍ。　４８　探测与控制学报　触测量，具有平均效应，这对微电容测量相当重要。　电容法以其灵敏度高、动态响应块、成本低等优越性　而得到了广泛地应用。　图１微电容检测的原理框图　Ｆｉｇ．１　Ｍｉｃｒｏ－ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　电容法的基本原理是将电容传感器接收到的信　号输出进行模数转换，将数字信号传送到单片机，再　通过键盘的命令，将相应的数据显示在Ｉ　显示屏　上面，如图１所示。基于物体间的电容量与其结构参　数之间的关系，是利用力学量变化使电容器中其中的　一个参数发生变化的方法来实现信号变换的。电容　传感器是～个具有可变参数的电容器。在大多数情　况下，电容则是由两个相对的金属平行极板组成，并　且以空气为介质，然后将被测量的变化值转换成电容　变化量的一种传感器。电容器的电容是构成电容器　两电极形状大小、相互位置及介电常数的函数＿２］。　电容传感器的基本原理是基于物体间的电容量　与其结构参数之问的关系。即将被测量（如尺寸、压　力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器＿３］。　只要介质的介电常数、极板正对部分面积、极板　间的距离这３个物理量直接或间接的变化，都会引　起电容的变化，通过一定的测量电路将其转换为有　用的信号输出，据此判断物理量的变化。　当被测量极板之间的距离、极板正对部分面积　或介质的介电常数发生变化时，都会引起电容的变　化。如果保持其中的两个参数不变，仅改变另一个　参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变　化，有以下几种检测类型Ｌ４ｊ。　平面线位移型：引信零件位移的电容检测，以零　件为一极，零件旁有个固定极，只要零件水平移动，　电容就会变化。　极距型：引信零件极距的电容检测，以零件为一　极，零件旁有个固定极，只要零件上下移动，电容就　会变化。　这里采用介质型电容式传感器，面积和极距固　定，让电容的介质变化即可。变介电常数型电容传　感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可　根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变　而改变来测量温度、湿度、容量等。　１．１电容电桥　这种电桥的灵敏度和稳定性较高，且寄生电容　影响小，简化了电路屏蔽和接地，适用于高频工作，　已广泛应用。１）高频交流正弦波供电；２）电桥输出　调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳　频等措施；３）通常处于不平衡工作状态，所以传感器　必须工作在平衡附近，否则电桥非线性增大，且在要　求精度高的场合应采用自动平衡电桥；容抗电桥法　是采用容抗比较值的测定法。该设计取得了较有成　效的试验成果，但因使用该仪器时，需要事先作较仔　细地调整和核对，当生产材料或工艺条件变化时，也　要相应地调整，温度稳定性好，结构简单，动态响应　快，可以实现非接触测量，且仪器的技术较简单，造　价便宜，故可以推广应用ｌ５］。　１．２全波整流桥　单相整流电路按电路的接线形式可分为单相半　波、单相全波和单相桥式３种。不同的电路具有不　同的整流特性和不同的应用领域。在实际应用中，　整流电源的负载又有电阻、电感以及反电势等不同　的性质。全波整流桥的原理是其内部主要是由４个　二极管组成的桥路来实现把输入的交流电压转化为　输出的直流电压。在整流桥的每个工作周期内，同　

一时间只有两个二极管进行工作，通过二极管的单　向导通功能，把交流电转换成单向的直流脉动电压。　经测试证明，此电路具有良好的效果ｌｌ６］。　

２断细药的微小电容检测原理与特点　断细药的微小电容检测原理是把导火索放到电　容中间，然后匀速从电容中间拉过而连续检测，利用　微电容介质型电容式传感器中，当导火索中的药芯　直径发生变化时，电容值发生变化，电容值变化就会　使电压发生变化。　

向　＿＿＿＿－＿＿－－＿＿●●＿＿＿＿＿＿－＿●＿＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－－　

图２导火索电容检测原理图　Ｆｉｇ．２　Ｐｏｗｄｅｒ　ｈｏｓｅ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　李士林等：断细药的微小电容检测方法　４９　在图２中当药芯均匀时，电容基本稳定在一个　数值上。然而当导火索的药细的时候，电容值就会　发生变化，就会报警。当导火索的药芯断的时候，电　容值立即接近于０然后变大，出现一个很大的波动　然后马上报警。　

３仿真　运用了Ｍｕｌｔｉｓｉｍ电路仿真软件，对微测量系统　中的电容一电压转换，以及对电路、整流、滤波电路环　节的测量进行了仿真、调试以及实验，重点对电容一　电压转换后测量电路进行了仿真，通过多次仿真，可　以确定该电容的电压值，还对正弦激励信号发生电　路、全波整流电路和滤波电路做了仿真实验，并获得　仿真结果。仿真结果表明：电容法具有良好的工作　性能和可靠的稳定性，解决了机械检验法会因药粉、　棉花毛等杂质的积聚而使检测失灵，射线检测法在　检测药芯的精度上不够理想的诸多问题Ｌ７］，达到了　预期的目的。　

图３被测电容变化时的曲线图　Ｆｉｇ．３　Ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｇｒａｐｈｓ　

如图３所示的仿真是测量电容一电压转换，确定　该电容的电压值。可以看出测量的电压是稳定的。　显示测量电压的结果，其中纵坐标是电压（Ｖ），横坐　标为被测电容百分比。测量了电容在０　９／６，１０％，　２０　，３０　，４０　，５０　，６Ｏ　，７０　，８０　，９０　，　１００　的变化曲线，在测量时由于在５０　时两个波　

形重合，电压接近于０，电容的百分比的上升，就相　当于电容值变大，故电压值应该是从大到小然后再　变大，故电压的变化对特定的传感器标定后的系数　是确定的，仿真结果也是从大到小然后再变大，故测　量出来的电压值是稳定的。与其他常规技术相比，　电容法具有缺陷定位准确，检测灵敏度高，速度快及　便于现场使用等优点，因此电容法是一种可以推广　的方法。因而针对微电容检测转换电路的研究具有　十分重要的理论意义和应用价值。