ющей вновь введенной ложной составляющей, то можно эту составляющую рассчитать всего один раз в относительных величинах для данного шага дискретизации и количества отсчетов — для выбранного диапазона частот параметры ложной составляющей рассчитываются один раз.
Предложенный подход может применяться в задачах параметрического спектрального анализа для широкого круга применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Щербаков М. А., Иосифов В. П. Восстановление входного сигнала по результатам идентификации динамических характеристик средств измерений // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2007. - № 3. - С. 3-8.
2. Щербаков М. А., Иосифов В. П. Разработка методик обработки откликов с датчиков с короткой длительностью // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 2006. — № 6. — С. 245—252.
3. Иосифов В. П. Исследование математических моделей измерительных преобразователей датчиков механических величин // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. — 2006. — № 2. — С. 15—19.
Иосифов Валерьян Павлович — д-р техн. наук, профессор кафедры "Информационные системы, технологии и связь"Института сервиса и технологий (филиал) Донского государственного технического университета (г. Пятигорск);
® (8793) 97-39-93
Щербаков Михаил Александрович — д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой "Автоматика и телемеханика"Пензенского государственного университета.
® (841) 256-46-83 □
УДК 627.317.733
ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В. П. Арбузов, П. Н. Водовскова, М. А. Мишина, М. А. Щербаков
Рассмотрен датчик, обеспечивающий бесконтактное измерение толщины диэлектрических материалов, расположенных между обкладками емкостного параметрического преобразователя. Измерение осуществляется независимо от толщины воздушных зазоров между обкладками датчика и контролируемым материалом. Измерительная цепь датчика обеспечивает инвариантность результата измерения к емкости кабеля.
Ключевые слова: контроль качества, толщина, диэлектрический материал, емкостной датчик, схема замещения.
ВВЕДЕНИЕ
Производство композиционных материалов и контроль качества готовой продукции требует измерения толщины диэлектрического материала и слоя гетерогенных дисперсных сред, применяемых в технологиях нанесения покрытий. Контроль качества продукции заключается в проверке соответствия ее качества установленным требованиям. Важными критериями качества готовых изделий и покрытий являются геометрические показатели, а также технологи-
ческие признаки качества, такие, например, как отсутствие недопустимых дефектов типа нарушения сплошности [1].
Актуальной и требующей скорейшего разрешения является проблема контроля толщины готового изделия и покрытий в процессе их нанесения, а также финишного контроля результатов этого процесса. Причем большое внимание придается скорости сканирования относительно больших по площади поверхностей с высокой разрешающей способностью локальных
измерений. Широкий спектр диэлектрических материалов приводит к необходимости применения специализированных приборов и сложных методик контроля толщины как изделий, так и покрытий.
ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ИЗДЕЛИЯ ИЛИ ИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ С ПОМОЩЬЮ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА
Наиболее просто контроль толщины готового изделия могут обеспечить емкостные дат-
чики, позволяющие получить интегральную оценку искомой толщины, причем усреднение результата осуществляется по площади перекрытия пластин рабочего конденсатора датчика. Емкостный параметрический преобразователь (ПП) такого датчика состоит из двух конденсаторов, один из которых является опорным, а другой — рабочим, при этом диэлектрический материал, чья толщина подлежит измерению, перемещается между пластинами рабочего конденсатора. При контроле толщины изоляционного покрытия функцию второй обкладки рабочего конденсатора выполняет металлическая поверхность готового изделия. В результате значение емкости рабочего конденсатора изменяется при изменении толщины изделия или покрытия.
На рис. 1 изображены упрощенные конструкции рабочего конденсатора, где и Аз — воздушные зазоры между пластинами рабочего конденсатора и контролируемым изделием (см. рис. 1, а), а — контролируемая толщина изделия, ем и еб — диэлектрическая проницаемость материала исследуемого изделия и воздуха, соответственно.
Схема замещения рабочего конденсатора Сх состоит из трех
емкостей С! — С3, причем С! и С3 — емкости, обусловленные воздушными зазорами, а С2 — емкость, зависящая от толщины контролируемого изделия. При контроле толщины покрытия (см. рис. 1, б) воздушный зазор Аз отсутствует, а следовательно, схема замещения рабочего конденсатора в этом случае состоит только из двух емкостей С! и С2.
Для исключения влияния изменения диэлектрической проницаемости воздушного зазора на результат измерения искомых параметров объекта измерения в датчик дополнительно вводится опорный конденсатор С0п, который, во-первых, является воздушным и, во-вторых, расположен в одном корпусе с рабочим конденсатором. Тогда межэлектродное пространство опорного конденсатора и воздушный зазор рабочего конденсатора будет заполнено одной и той же средой (воздухом) с диэлектрической проницаемостью еб.
Если емкость опорного конденсатора С0п выполнить равной емкости "воздуха" С0п = = С С2Д С + С2) для датчика измерения толщины (см. рис. 1, а) или С0п = С для датчика измерения толщины изоляционного покрытия (см. рис. 1, б), то информативный параметр Ринф
ПП емкостного бесконтактного датчика толщины при ем . ев будет равен [2, 3]:
сх - соп _ ев ±даем
РИНФ =
С
Ем ( + )
или
ИНФ
_ Сх - соп _ а2ев ±даем
Сх
ем
Рис. 1
где ДА — изменение толщины контролируемого изделия.
Для преобразования информативного параметра в выходной сигнал датчика можно либо обеспечить преобразование относительного изменения рабочей емкости ПП, либо осуществить раздельное преобразование емкостей рабочего и опорного конденсаторов с последующим вычислением значения Ринф. Как в первом, так и во втором случаях измерительная цепь датчика содержит преобразователь пассивных величин (емкости рабочего и опорного конденсаторов) или их отношения в активную величину — напряжение, который выполнен на основе операционного усилителя. Погрешность указанного выше преобразования обусловлена неидеальностью элементной базы, а именно операционного усилителя, коэффициент усиления которого зависит от частоты тест- сигнала.
В тех случаях, когда необходимо знать не только среднее по ширине изделия или покрытия значение толщины, но и значение толщины в конкретных точках поверхности, одна из обкладок конденсатора датчика выполняется многосекционной в виде множества отдельных обкладок (рис. 2, а). Это позволяет определить значение искомой величины как в конкретной точке контролируемого изделия, так и вычислить ее среднее зна-
30
Эепвогв & Эувгетв • № 10.2014
Рис. 2
чение. Схема замещения многосекционного датчика имеет вид, изображенный на рис. 2, б. Уменьшение площади пластин многосекционного конденсатора датчика приводит к уменьшению емкостей С , С2 и С3 , а следовательно, к уменьшению как значения рабочей емкости Сх , так и соотношения межу рабочей емкостью секции датчика и емкостью кабеля, зависящей от длины и типа кабеля, причем ее значение может быть больше рабочей емкости ПП. Погрешность преобразования информативного параметра в активную величину зависит не только от коэффициента усиления операционного усилителя на часто-
те тест-сигнала, значений емкостей конденсаторов ПП датчика (рабочего и опорного), но и от емкости кабеля связи, а ее коррекция возможна только за счет применения структурных методов повышения точности, например, временного разделения каналов. Применение метода коммутаций каналов для разделения преобразования емкостей датчика во времени существенно увеличивает время измерения [2], а использование метода полигармонических сигналов [3] не позволяет применение таких датчиков для измерения толщины материалов, имеющих комплексную диэлектрическую проницаемость.
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИНФОРМАТИВНОГО ПАРАМЕТРА ДАТЧИКА В КОД
На рис. 3 представлена функциональная схема ИЦ, обеспечивающая преобразование информативного параметра бесконтактного датчика толщины диэлектрических материалов в код Л^ых, где Г1 и Г2 кодоуп-равляемые формирователи тест-сигналов Ц1(г) и #2(7), представляющие собой синтезаторы прямого синтеза; Км — коммутатор (аналоговый мультиплексор); ПП — параметрический преобразователь датчика; 20С — комплексное сопротивление обратной связи операционного усилителя с коэффициентом усиления Ку; МК — микроконтроллер.
Микроконтроллер МК управляет работой ИЦ, осуществляет аналого-цифровое преобразование выходного напряжения ^ап(0 усилителя У и вычисление значения информативного параметра датчика Лвых. МК вырабатывает коды управления работой генераторов Лг и Лг, в соответствии с которыми генераторы Г1 и Г2 формирует синусоидальные напряжения тест-сигналов Ц[(7) и #2(7), сдвину-
Рис. 3
тые между собой на некоторый угол ф!
Ui( ?) = Umi sin ю?;
?) = Um2 Sin (ю? + ф).
Эти напряжения составляют базис, обеспечивающий как процесс разделения каналов преобразования емкостей ПП датчика в составляющие выходного напряжения усилителя, так и процесс выделения указанных составляющих из напряжения UAn(í).
Эти напряжения поступают на емкости параметрического преобразователя ПП, причем напряжение Ui(í) поступает через коммутатор Км, и либо одновременно на все рабочие конденсаторы, либо на один или несколько конденсаторов в зависимости от кода управления NKm, приходящего с МК. Напряжение U2(í) всегда подается на опорный конденсатор С0п В результате, рабочая емкость преобразуется в составляющую выходного напряжения усилителя с помощью напряжения Ui(í), а опорная емкость — под воздействием напряжения U2(í). Если в обратную связь усилителя включен конденсатор С0с (Zoe = 1//'юСос), то выходное напряжение операционного усилителя равно!
=
Um
Cx
C
■ sinraí +
ос
+ Um
C
оп
C
sin(raí + ф)
ос
(1 + 5н),
где 8н — погрешность нелинейности преобразования пассивны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.