CN103363887A - 一种新型的材料厚度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的材料厚度测量原理，该厚度测量原理为：利用平板电容的极板作为厚度测量的敏感元件，被测对象的厚度变化引起电容活动极板产生位移，导致平板电容器电容量的变化，通过测量此电容量的变化实现材料厚度的测量。该发明的测量对象适用于间断或连续传输的薄膜、薄片状材料的高精度厚度测量，如：纸张、票据、塑料薄膜、织物，由于电容器的电容量随极板间距成反比的特点，在厚度发生较小的变化时即可产生较大的电容量变化，并且当电容检测电路采用震荡电路时，震荡频率可以高灵敏度地反映电容量的变化，由此实现厚度的高精度、高灵敏度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种厚度测量方法。特别地，涉及一种具有较高精度的用于薄片状物品厚度测量的方法。
背景技术
目前薄片状物品，如：纸张、票据、塑料薄膜、织物的在线连续厚度测量，在其产品的生产、检测、处理、回收等过程中处于非常重要的地位。当前各行业使用的厚度检测技术根据被测对象的不同特点，分为接触式和非接触式2大类。
非接触式主要为红外穿透和电涡流感应式。红外穿透厚度检测技术是利用特定材料红外线穿透能力较强特性，红外线发射装置发射一定强度的红外线穿透被测对象，红外线接收装置接收透射红外线信号实现检测。高频电涡流厚度检测技术主要用于金属材料检测，被测对象自高频电感线圈间通过，通过测量电感线圈的自感或互感的变化，即可检测出被测对象的相对厚度。以上方法存在检测精度低、测量结果随被测对象材料、密度等变化的缺点。
接触式厚度检测，将被测对象的厚度通过一定机械装置转换为位移，再使用常规位移传感器进行测量。位移传感器一般为：霍尔传感器、电感传感器、光电传感器、差动变压器位移传感器等，它们普遍存在成本高、灵敏度低、测量精度低、易受干扰等缺点。特别在需要高速物品传输、高密度多路厚度测量、被测对象为极薄(被测厚度＜0.2mm)的条件下，上述厚度测量传感器等装置存在很大的使用局限。
为了解决现有技术中存在的问题，我们设计提出了一种新型的材料厚度测量方法，用以配合实现断续或连续高速传输条件下的、高灵敏度、薄片状物品的厚度高精度测量，以满足金融、化工、纺织、造纸、印刷、保险等行 业的迫切需求。
发明内容
本发明的目的针对现有设备检测技术的欠缺，在于提供一种实现接触式高精度可变电容式厚度测量的方法，其可以将被测对象的厚度变化通过接触式机构传递给可变电容极板，通过测量电容量的变化实现厚度高精度测量。
为了实现上述目的，本发明提供了可变电容式厚度测量的原理及结构，包括：
电容量可变的电容器作为厚度测量的敏感元件，可变电容的极板包含固定极板和活动极板，固定极板相对于厚度引起的位移变化是不动的，电容活动极板随被测对象的厚度变化产生位移，由于电容器的电容量与电容极板的间距成反比，因而活动极板的位移导致可变电容器电容量的变化，在厚度发生较小的变化时即可产生较大的电容量变化，通过测量此电容量的变化实现材料厚度的测量。以可变电容器作为反馈元件的震荡电路，可以将电容的变化转换为相应电路的输出震荡频率的变化，震荡频率可以高灵敏度地反映电容量的变化，由此实现厚度的高精度、高灵敏度测量。
该发明还提供了用于票据厚度测量的实施例，图1为本发明变电容式厚度测量原理图；图2为本发明电容厚度检测电路图。
图1中1为可变电容器固定极板，2为可变电容器活动极板、3为普通柔性导线、4为厚度检测电路、5为位移传递连杆、6为仅可上下移动的对轮从动轮、7为位置固定的对轮主动轮、8为对轮主动轮驱动及固定装置。
1、2构成可变电容器C；1、2通过3连接至4构成可变电容器C接入4的电路通路；5分别连接2、6，与7构成可变电容调动机构；8连接7使7固定在8上并实现对7的旋转驱动；票据由6、7之间通过，6与7构成的主从对轮传送机构。当有票据通过6、7之间时，由于票据的存在厚度，使6向上移动一个票据厚度的位移，同样5带动2向上移动一个票据厚度的距离，由于可变电容的电容量与1、2之间的距离成反比，即可变电容的电容量的变 化值直接反应票据厚度的多少。
图2中C即为图1中的可变电容器C，R、C、U1、U2构成非门振荡器，当票据通过时C值变大，从而改变振荡器输出频率。以振荡器输出为填充计数脉冲时钟，当U3内设定计数闸门时间为一定值时，无票据通过情况下在设定计数闸门时间内，以记得振荡器振荡时钟个数m为基准，当有票据通过时可变电容C值变大振荡器输出频率降低，U3内相同闸门时间计数数值降低为n，U3计算m-n即可实现通过对轮联动的可变电容器为厚度传感器检测票据的相对厚度，U3将票据厚度数据输出至检测输出装置完成票据厚度检测的一次过程。
本发明的可变电容票据检测传感器，厚度检测范围为0.2mm以内，测量精度及灵敏度达到0.005mm。并且因可变电容两极板距离较近，振荡频率小于100MHz时电场泄露极小，当采用多路并排近距离测量布局时各路之间相互干扰极小，解决了多路之间互相干扰问题。
本发明所述1可变电容器固定极板与2可变电容器活动极板可使用金属板、非金属板镀金属膜实现，只要能够实现可变电容器均可采用。
本发明所述4票据厚度检测电路，振荡器可采用分立元件搭建、集成电路组建实现；设定计数闸门、厚度计算并输出的U3，可采用CPU、MCU、DSP、CPLD、FPGA实现，只要能够实现本发明功能均可采用。
本发明所述5位移传递连杆、6仅可上下移动的对轮从动轮、7位置固定的对轮主动轮实现的构成可变电容调动机构，可采用其它结构形式，只要能够实现可变电容器有效依据票据厚度实现电容量相应变化均可采用。
以上即本发明所列举实现实例，仅为说明此技术方案之用，其它各种实现电路的局部或机械局部之变更，均应落入本发明之中。
Claims (10)
1.一种新型的材料厚度测量原理，其特征在于，包括：可变电容器，作为厚度测量的敏感元件，利用电容量的变化实现厚度的测量；可变电容器活动极板，构成可变电容器的一极，测量对象的厚度变化引起活动极板产生位移；传输装置，一种特定机构，可以稳定、可靠地使间断或连续的薄片状物质产生传输运动，保证被测对象持续地作用于测量装置上；位移传递装置，将传输装置中运动通过的被测对象的厚度变化，按比例传递到电容活动极板上；震荡电路，以用于厚度测量的可变电容器作为主要元件，经过电容的充放电产生交变震荡信号，震荡的频率与电容的大小成比例关系；频率测量电路，通过测量震荡电路输出频率或周期的变化，方便地实现电容位移传感器对厚度的测量；测量对象，适用于薄膜、薄片状固体材料的高精度厚度测量。
2.权利要求1中所述的可变电容器，其特征在于，包括：由固定极板和可变极板构成，极板形式可以为平面形、圆柱形、或其他形式，极板形状可以为圆形、长方形(或正方形)、或其他形状；极板之间由绝缘电介质隔离，以确保极板之间的可靠绝缘。
3.权利要求1中所述的可变电容器活动极板，其特征在于，包括：活动极板的位移，随被测对象的厚度变化而按比例运动，使可变电容器的有效电极面积产生变化，进而使电容值产生变化，相应实现通过测量电容的变化量测量物品厚度。
4.权利要求1中所述的传输装置，其特征在于，包括：允许物品通过的通道及相应的驱动机构，可以稳定、可靠地使间断或连续的薄片状物质产生传输运动，并能够保证被测对象持续地作用于测量装置上。
5.权利要求1中所述的位移传递装置，其特征在于：使用滚轮、压片、或杠杆机构，作用于被测对象上，可靠将被测对象的厚度转换为相应位移，并按比例传递到可变电容极板上，使电容可变极板产生相应位移变化量。
6.权利要求1中所述的震荡电路，其特征在于：通过电阻或电感对作为传感器的可变电容进行充放电，构成典型RC或RLC振荡器，当R、L的值固定不变时，振荡器的输出频率变化随电容C的变化而变化。
7.权利要求1中所述的频率测量电路，其特征在于：通过测量振荡器输出交变信号的频率或周期，实现物品厚度测测量。频率测量可以采用直接频率测量方法，周期测量可以采用固定闸门时间测量填充计数脉冲的方法实现。
8.权利要求1中所述的测量对象，其特征在于：适用于较薄且不易压缩的薄膜、薄片状固体材料的高精度厚度测量，厚度一般在1mm以下的纸张、票据、塑料薄膜、织物。
9.权利要求2中所述的绝缘电介质，其特征在于：可靠保护电容极板防止短路以及防止可变电容极板运动造成的绝缘层的磨损，其材料可以是：气体、液体、固体电介质。
10.权利要求5中所述的滚轮、压片、或杠杆机构，其特征在于，包括：可以随被测对象的厚度产生位移变化，同时其不能使被测对象产生厚度的变化，并且该机构还能够产生足够的对于被测对象的接触力，以实现被测对象运动过程中的可靠动态测量。
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