改进型电容式测厚仪的研究

路新惠　卢易枫

摘 要：传统的电容测厚仪采用两电容并联构成差动结构来检测金属带材的厚度。文章在原有的基础上作出改进，提出一种新型的独立电容传感器，该电容式测厚仪与原来相比，精度提高许多。

关键词：电容传感器；测厚仪；误差

1 概述

電容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。由于它结构简单、体积小、分辨率高，可实现非接触式测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，目前，在自动检测中得到了广泛的应用[1]。电容式测厚仪是用于测量金属带材在轧制过程中厚度在线检测的仪器，传统的方法是采用两电容并联构成差动结构来检测金属带材的厚度，该方法会随着带材在线检测过程中波动的幅度增大而误差增大。文章提出了一种改进型电容测厚仪，采用独立电容进行检测，较原方法，误差降低。

2 差动式电容传感器

现有的这种金属带材测厚仪，其工作原理是在被测带材的上下两侧各放置一块面积相等，与带材距离相等的极板，如图1所示。这样极板与带材就构成了两个电容器C1，C2，把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，在电路中C1、C2属于并联方式，其总电容为C1+C2。金属带材在轧制过程中不断向前送进，如果带材厚度发生变化，电容测厚仪传感器将引起它与上下两个极板间距变化，从而引起电容量的变化。如果将总电容量作为交流电桥的一个桥臂，电容的变化量DC引起电桥不平衡输出，经过放大、整流、滤波即可在仪表上显示出带材的厚度。

将（4）式与（3）式进行比较发现，只要金属带材不是处于两极板中心位置，将产生的位置误差。但是，金属带材在线检测过程中必定存在上下波动，即使采取一定的措施，仍存在误差，该误差是由于两电容并联所造成的。传统的电容测厚仪测厚精度较低，并且为了使带材尽可能的处于中心位置，也加大了操作的难度。所以，这种方法并不理想。

3 独立电容传感器

在电容器两极板间的空隙中放入金属板，很明显电容器的电容值会改变，但不像改变电介质那样。当放入金属板后，金属板在匀强电场中静电平衡，成为等势体。于是，我们可以把它当作等势面而忽略厚度，厚度忽略后其板间距离可看作减少了x（x为金属板厚度），故由C的决定式可得电容增大，增大部分即由金属板厚度引起的。基于此思想，可以把金属带材假设成放入电容器两极板间的一个等势体[4]。

在被测金属带材的上、下面对应位置各安置一块电容传感器的极板，这两块极板构成一个独立的电容传感器。假设金属带材上、下极板之间的距离固定为d0（即独立电容初始极板间距离为d0），带材的上表面与上极板间距为d1，带材的下表面与下极板间距为d2，带材的厚度为x，则d0=d1+x+d2。不论被测带材是否处于中心位置，也不论被测带材上下波动如何，只要厚度x一定时，那么电容两极板间距d0-x=d1+d2即为固定值。通过测量（5）式中的Cx即可确定金属带材x的厚度。

这样，通过测量独立电容器的电容值，克服了并联式电容器存在的原理性误差的缺点，解决了金属带材传输过程存在的上下波动的问题。

由于式（5）中厚度x与输出电容Cx为非线性关系，可采用放大倍数足够大，输入阻抗足够高的运算放大器作为后续理想的测量电路，该电路将电容又转化成电压输出。不过此时，运算放大器的输出电压与带材厚度x成线性关系，解决了变极距式电容传感器的非线性问题。

4 结束语

文章提出了独立电容传感器检测金属带材厚度的原理和方法，完全消除了被测带材在测量过程中上、下波动对厚度检测的影响。由于输出的电容变化值十分微小，不能直接为目前的显示仪表所显示，所以借助运算放大器测量电路，将其转换成与厚度x成单值函数关系的电压。该方法操作简单，提高了测量精度。

参考文献

[1]陈艳红.传感器与检测技术[M].南京大学出版社.

[2]熊葵容.电容传感器检测金属板带厚度的研究[J].传感器世界.

[3]张建忠.传感器与检测技术[M].北京邮电大学出版社.

[4]余国河.基于平面电容的冻土检测传感器[J].现代电子技术.

作者简介：路新惠（1983-），女，河南郑州，讲师，硕士，主要从事检测技术、电子等方面的教学和科研。