电容式卷烟机水松纸在线上胶量检测装置

钦 华

（常德卷烟厂 物资配送部，湖南 常德415000）

1 电容式水松纸上胶检测基本原理

有多种方法可以对水松纸的胶水进行检测，微波传感器、超声波传感器，电容传感器都可以有效的检测出水松纸上的胶水，但考虑到在实际生产中， 可能对水松纸胶水的分布和检测位置的特定要求，微波传感器和超声波在实现局部较小区域中的定位检测显然不如电容传感器更加方便，电容传感器可以通过检测头的设计，方便的满足检测位置、形状的要求。

我们知道，电容的基本关系是：

采用电容式传感器检测水松纸上胶量的基本原理是利用胶水和水松纸的介电常数ε 的差异，虽然采用不同的胶水可能具有不同的介电常数， 但根据实验的数据表明在胶水还没有完全加热干燥的情况下，两者的介电常数有着较大的差别。 通常水松纸的相对介电常数在4.0 左右（视材料成分略有不同），而实验推算的没有完全干燥的胶水的相对介电常数可达10 以上，这样，只要设计得当，采用电容式传感器进行胶水检测，可以得到较好的检测信号。

在实际的检测中，由于胶水的状态在一定的时间段内是相对固定的，即电容的相对介电常数ε 一定，实际上胶量的多少是通过电容极板间（检测头和外壳间）的介质密度的变化来反映的，即当上胶量较多时，电容的极板间充实有较多的高介电常数的物质，变相的减小了电容极板间距d，使电容C 增加；反之，电容C 减小。

图1 水松纸几种上胶状态

图1 反映了水松纸上胶时的几种状态

从A 到D，水松纸的上胶量依次增多，虽然在胶水相同时它们具有相同的介电常数ε，但是由于胶量的增加（介质量增加）可等效成极板间距d 的相对减小。

图中E 和F 的情况为局部完全没有上胶的情况，在这种情况下，电容极间高介电常数物质（胶水）大量减少，电容自然减小。

在实际生产中，即使不出现像图中E 和F 的情况，由于胶缸、车速等的外部因素，水松纸上胶时也时常出现局部不均的情况。

对于用于水松纸上胶检测的电容传感器，其结构为开放式电极结构，其电容的数学模型并不能用上式1 来描述，加上电容的较小结构，电极的边缘效应明显，其数学模型的推导很复杂。但是，如果我们不是追求计算电容的绝对容量，而只是关心电容量相对于某种状态（如无胶水时的状态）的电容量的变化，上式1 仍可作定性的说明，我们可视为：在检测的状态下，等效的面积S 和距离d 是电容器电极面积及其相关几何结构尺寸以及被测物和电容极板之间距离、被测物介电常数的函数。对于电容而言，S、d、ε 的相对关系仍然是成立的。在这样的认识下，我们用公式1 来说明。

假定对于未上胶的水松纸，有电容

其中ε1反映干燥的水松纸的相对介电常数。

当水松纸上胶后，其电容量C2

其中：ε2反映胶水的相对介电常数，ε2＞ε1；

d1反映由胶水量引起的等效极板间距的减小。

当具有不同的上胶量时，其电容量C3

其中d2表示由胶水量大小的不同引起的等效极板间距的变化。

当胶量增加时，d2＞d1，C3＞C2。

电容传感器检测水松纸胶水时的结构示意如下图：

图2 电容传感器检测水松纸上胶结构示意图

电容传感器采用单侧平板结构，传感器的检测电极位于水松纸的干燥面，对于这种结构的电容传感器检测，以下的技术问题是必须克服的：

1）自身电容小，传感器不易做到稳定；

2）电容量的绝对变化量小，信号分辨率要求高，信号处理电路要求高；

3）四个传感器检测头发出的电场存在极间干扰，影响各自数据的真实性。

2 电容传感器的设计技术

当采用单侧平板结构的电容传感器时，设计上的一些问题必须加以克服，如上所述，自身电容小和传感器极间电场影响是其中的主要问题。

较小的自身电容不仅使传感器的设计原理选择变得困难，更主要是在传感器自身电容较小的情况下，各种分布电容、寄生电容产生的噪声不仅可能使系统信噪比降低，还可能使系统无法稳定。

各传感器极间的电场干扰实际上是一种噪声，直接影响传感器的数据采集的准确性。 为了确保传感器具有较高的检测范围，一般希望有较大的检测电场强度，但检测电场强度的提高会加剧传感器极间的干扰，甚至可能使系统无法正常工作。

如何消除分布电容和各种寄生电容的影响：

传感器原理框图如图3 所示:

图3 1/4 传感器原理框图

当电路的分布设计和传感器的结构设计定型后，一般说来，电路（系统）的分布电容接近一个固定数值，相对较稳定，但可能其绝对数值较大（甚至可能超过传感器自身电容）。分布电容对检测的影响可以通过它等效到检测电容一侧电容Cf来体现； 寄生电容主要由各种耦合电容、IC 引脚极间电容等产生，其中以IC 引脚极间电容影响最大。寄生电容不稳定且受温度影响大，是影响传感器稳定的主要因素。 寄生电容对检测的影响也可以通过它等效到检测电容一侧的电容Cj来体现。

半导体制造工艺的特性告诉我们，在同一IC 上集成的电路，其极间电容具有相近的数值特性和接近的温度特性，其物理参数的变化规律也相近。 我们利用这种特性在同一IC 上设计类似的两个传感器电路，它们的各种杂散电容所产生的影响具有相似的变化规律和接近的变化量，这种变化在“信号差异取出电路”中被排除，使得电路分布电容、寄生电容的影响大大降低。

如何消除检测电场的极间影响：

我们消除检测电场相互影响的方法是采用扫描，即四个检测头分时的工作，每个时刻只有一个检测头发出电场，这是彻底消除电场极间影响的方法。

一个循环的扫描时间约0.5ms，这足以保证对检测的“细致”的要求。

3 系统构成及设计要点

检测系统的构成见图4。 由传感器的四个检测头对水松纸上四个区域的上胶量进行检测，见图5 所示。选择不同探头分布的传感器，可以使检测系统适配不同的水松纸宽度和不同的胶水检测区域。

电容传感器的稳定性设计是检测装置的关键，考虑到工艺上可能采用不同介电常数的胶水，和水松纸的不同材料特性的差异，合理的硬件选择配置也是保证产品有效使用的重要因素。

信号调理板对来自传感器、机器接口的信号进行预处理，以适配控制器的输入，同时将控制器的输出信号进行转换以适配机器剔除电路的要求。

系统设计中，选择德国SYS TEC C14 控制器，该控制器具有运算速度快、配置较全（数字输入输出、模拟AD、DA 转换、网口等）、体积小、编程方便（支持IEC61131）等特点，当对检测的四个传感器模拟通道进行数据采集、分析和基准电压的DA 转换等程序处理时，运算时间只有大约5ms，以此速度，该控制器完全可以满足10000 支/分钟以上的高速卷接机组的在线检测要求， 这是一般小型工业PLC 难以做到的。

图4 胶水检测系统的基本构成

图5 胶水检测点

尽管电容传感器的设计已考虑到其自身的稳定性问题，但传感器本身在使用过程中受运动的水松纸的摩擦和附近加热烙铁的高温影响，加上环境空气、灰尘等各种变化的因素，其静态输出电压仍可能有一定的变化。 在设计中必须考虑到这些因素，尽管这些因素的变化是缓慢的，同时在机器稳定运行时，上述的因素基本上是恒定的。

在传感器的设计中，通过必要的隔热措施和散热手段来降低检测时传感器和水松纸的摩擦造成的温度；将传感器安装在尽量远离加热烙铁的地方，以减少空气温度的影响。

在控制系统中，通过采集最新的传感器静态输出值的方法来确保检测时具有较大动态信号供分析。传感器的静态输出的采集基于停机状态和传感器没有检测到存在被测物时，如图6 所示。

图6 传感器静态数值的采集

4 检测系统和设备的接口

水松纸胶水检测系统是一套相对独立的装置，可以容易的实现和各种接嘴机的电气连接。实际使用时仅需要机器提供检测需要的同步信号。 检测系统借用原机的剔除驱动和双长支剔除机构，向原机提供剔除的三极管（OC）输出电平，可以直接和原机的相关信号处理卡相连接。 检测系统具有独立的检测剔除移位寄存器，可以独立设定相关的参数：剔除移位步数设定、剔除数设定等以方便对使用的要求。

［1］杨盘洪.最新集成运算放大器应用手册[Z].山西科学技术出版社.

［2］刘迎春，叶湘滨.传感器原理 设计与应用[M].国防科技大学出版社.

［3］单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M].国防工业出版社.

［4］中国集成电路大全CMOS 集成电路[M].国防工业出版社.