材质识别多功能传感器设计

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1、材质识别多功能传感器设计材质识别多功能传感器设计专业：专业： 姓名：姓名： 学号：学号：1 1、传感器的构造、材料及工作原理传感器的构造、材料及工作原理传感器的构造如图 1 所示,它借助印刷板腐蚀工艺将绝缘板表面的铜层腐蚀成两个同心 螺线形线圈,中心端子通过背面引出制作而成,其外径约 35mm。为了使传感器具有一定的柔 性,采用了 0.5mm 厚度的较柔软的绝缘板。金属线圈的厚度约为 1.5m,线宽及线间距离均 为 0.4mm。为了避免传感器与金属类试料相短路,在传感器的表面涂有很薄的绝缘层。在空 气中,每个线圈的电感为 2.3H,电阻 1.54,两线圈间的电容量为 44.6pF。另外,在绝缘

2、 板的背面保留有同等厚度的铜膜用作电磁屏蔽。1.1 感性功能感性功能 当传感器的两只线圈作为变压器使用时,它呈感性功能。此时,若一只线圈有交流电流 通过,另一只线圈则有感应电势产生,并且感应电势的大小依据涡流效应取决于被检测物体 的导电率。 1.2 容性功能容性功能 为了识别绝缘类材料,将传感器的两线圈看作图平面状电容。当传感器接触到试料表面时,其容量依试料的介电常数而变化,传感器的输出从与其串联的取样电阻 R 取出。这里,将 传感器背面的铜膜接地用作屏蔽层以减少外界干扰。 1.3 温觉功能温觉功能 铁,木材,塑料等材料,它们材质各异,其固有的热传导率也不相同,若获得了它们的热传 导率信息,则

3、可能去推定其材质。为了获得试料的热传导率信息,依据热传导理论需要有热 的流动。这里,如图 2(a)所示,首先将传感器的一只线圈用作加热器,另一只用作测温电阻, 温度信号由图 2(b)的电桥电路转换成电压信号检出。进一步结合图 2(c)的反馈控制电路, 通过调节电阻 R3 可将传感器设定到比室温较高的温度 Ts。当传感器接触到处于室温 Tr 的 试料时,将加热器的电源断开,传感器的温度会单调下降直至室温,这一温度变化曲线同样由 电桥电路检出,送到计算机储存分析。图 2 温觉功能及其测控电路2 2、输出输入关系输出输入关系为了验证试做传感器的性能,准备了铁、铝、铜、黄铜、橡胶板、胶合板木材、透明有

4、 机玻璃和发泡塑料 8 种常见的材料,每种试料厚 1cm,长宽各 10cm。测量时施加 1kg 的接触 压力以减少接触变差,并对每种试料测试 10 次求平均值。当激励源的频率为 25kHz 时,一组 实验结果如图 3 所示,其横轴是感性功能时传感器的输出电压,纵轴是容性功能时传感器的 电压输出。由图 3 可知,利用感性功能很容易将非磁性金属材料和绝缘体或磁性金属区别开。 进一步,在非磁性金属铜、铝和黄铜中,导电率最相近的是铜和铝,二者所对应的传感器输出相差约 14%,而传感器的重复性误差约 1%,这意味着用本传感器区分铜和铝毫无困难。另一 方面,利用容性功能的输出电压也比较容易区分上述 4 种绝缘材料,在容性功能时传感器的 重复性误差约 5%。图 4 是温觉功能时 8 种试料的温度变化曲线,这里传感器温度是从高于 室温 30逐渐降至室温。由图 4 可知,依靠温觉功能是难于区分金属类材料的,但对绝缘材 料有较好的识别能力。图 3 感性和容性功能时的实验结果图 4 温觉功能时的实验结果3 3、使用注意事项使用注意事项1、在容性或温觉功能时,传感器的输出对接触压力比较敏感,应尽可能保持接触压力的稳定。2、温觉功能时传感器表面温度的下降曲线的前半部对试料厚度变化不太敏感,但后半部对试料厚度的变化比较敏感,因此应尽可能利用前半部的数据以减少试料厚度的影响。