边缘场电容式智能传感器基于PCB技术测量含水量在纸浆

文摘

提出了一种电容式智能传感器基于印刷电路板(PCB)技术测量含水量在纸浆在纸机湿部。发达传感器结合在同一电路板信号处理电路。手持便携设备,它的输出被发送到阅读设备使用蓝牙无线连接,提供传感器的操作易于流动在纸机湿部。原型测试在实验室,用钢丝网模拟造纸机的结束,和我们能够测量和容易发现当它到达含水量在90%到92%的范围,根据需要在报纸上制造过程。电容测量的标准偏差在不同湿度四个数量级小于均值。智能传感器测试20°C到40°C的温度范围,在纸浆重量含水量为91%。自电容随温度的变化几乎是线性的,我们提出一个简单的线性补偿方程正确的观察与温度敏感性。保持信号处理电路小,成本低、简单、健壮,小说直接接口传感器单片机电路技术被用于制造电容测量,使测量小电容偏差没有高频振荡器。结果表明,可以将信号处理集成电路PCB互相交叉的顶层传感器在不增加噪音或有辱人格的电容式传感器的性能。

1。介绍

在大多数造纸机械,测量纸的属性只有在干燥机,结束后纸准备好了。因此,如果产生的纸没有一个可接受的质量,纸张被丢弃(可能被回收到一篇论文质量较低),和机器的参数改变,以便生产纸满足所需的质量标准。

因此,能够测量纸浆的含水量在纸机湿部的基本控制纸的质量,减少浪费,并减少环境的影响,导致环保的制造流程。提出了许多技术测量含水量在纸浆造纸机湿部,之前进入制造过程。

一些技术非常简单,可以只给一个粗略的估计水的内容,就像球迷的使用。在这种技术中,传统风扇旋转在纸浆,并通过测量电动机的扭矩,可以估计纸浆中的水含量(1]。这种方法是不精确的,因为对纸浆浓度非常低(高含水量的纸浆)自由风扇旋转。

微波封闭空腔谐振器可以估计纸浆中的含水量高分辨率,和纤维浓度低至0.6%与0.03%的测量标准偏差(2]。然而,该方法不能用于纸浆的监测在纸机湿部的,因为它是必要的手工样品的纸浆和插入的封闭空腔谐振器。除了这个限制,它需要非常复杂的仪器,因为频谱分析仪和跟踪发生器是必需的。

其他技术提出了基于微波衰减材料的(3),但这些技术很难使用,特别是低衰减材料由于衰减测量受到多次反射的影响。

微波炉开放谐振腔测量系统允许使用在生产线提出了4]。然而,纸浆的共振频率大约是2.6 GHz。大多数手机通信系统运行在2.4 GHz,避免手机信号的干扰,必须屏蔽微波传感器,所以开放腔传感器是不切实际的。

还提出一个电磁场扰动传感器测量纸浆的导电率,从这些测量,纸浆的含水量可以估计5- - - - - -8]。然而,这种技术提出了两个弱点:(a)有必要假设所有吸收的水浆纸纤维,所以只导电性是由水分子和(b)不同的添加剂可用于纸浆,导致不同的导率的材料相同的纸浆与给定的含水量。

通常,纸浆到达水量高体积百分比的内容( %)在纸机湿部和它必须干,直到它到达 %范围之前,去下一个加工步骤。Sundara-Rajan et al。9)研究了金属网格边缘场电容传感器的阻抗光谱仪器测量含水率在纸浆和得出结论,从测量阻抗数据,依赖的导纳和阶段水分含量并不重要(或者完全不可靠,在测量阶段)。另一方面,它是观察到的变化电容为水浆的内容从90%变化到96%,导致 pF。

基于承诺的结果在研究[9),在这项工作中,我们提出一个无线电容边缘领域智能传感器基于互相交叉的印刷电路板(PCB)传感器来测量纸浆水分含量。

2。PCB电容式传感器

2.1。边缘场电容式传感器的工作原理

低成本的边缘领域电容传感器使用传统的金属网格或PCB制造技术已经成功地提出对于许多应用程序,像土壤10],谷物[11)、空气(12,13),和人类皮肤14]。

传统的PCB边缘场电容式传感器由互相交叉共面电极(通常称为手指),用铜PCB的痕迹,如图1。结构的电容与手指长度 ,两个手指之间的距离 ,铜的厚度 ,和手指是由 在哪里和分别是,自由空间的介电常数和介质的相对介电常数材料两个手指。在方程(校正因子1如果条件)可能是必要的 ,但由于一般用在这些传感器的值,这不是必要的。

当材料接触PCB改变其(例如,纸浆接触PCB),传感器的电容变化,这些变化可以与纸浆中的水分含量(9]。

在[10),显示一个小的离子含量的水在PCB传感器没有改变其反应:与水传感器改变其导电率 女士/m 女士/m,观察到测量电容的变化仅为0.02%。

然而,这取决于类型的纸生产,高含量的几种添加剂(如二氧化钛和碱金属)被添加到纸浆,并建议执行的校准传感器在每个类型的纸浆。是非常重要的注意,测量电容的绝对值并不重要,因为我们只在传感器的输出值表明,纸浆中的含水量是在要求范围内。

3所示。发达的智能传感器

电容PCB传感器的一个重要特征,它尚未探索,是使用这种技术制造智能传感器,因为所有的信号处理电路,原则上,在顶部的PCB制作的。

传感器设计了四层 FR-4衬底,35μ米铜厚度。有40个手指互相交叉的铜,长度 毫米,宽度 毫米,手指之间的空间 毫米。的 关系是基于[中给出的结论15),发现使用 单位面积上的电容的价值最大化。确定长度 ,我们使用 ,所以,手指可以被认为是无限的(15,16]。

在纸机湿部的,传感器必须移动,这样可以测量纸浆的不同部分,和有线系统与精密仪器连接到传感器(如一个阻抗分析仪),使这个任务非常复杂。在这项工作中,我们提出一个精确的手持式无线电容式智能传感器,可以很容易地移动纸张的湿部机器,可以使用智能手机或平板电脑,阅读有以下特点:(我)它是第一个无线手持PCB智能传感器,可以移动在纸机湿部,没有沉重而笨拙的仪器和电缆连接到传感器(2)这是第一电容式智能传感器基于PCB技术,与所有信号处理电路中传感器的身体(3)这部小说的时间间隔为直接接口单片机开发技术允许更高的分辨率比传统的电容测量技术提出的归复et al。17)不使用高频振荡器来实现它(iv)极低的成本,尽管结果测量的传感器没有显示一个错误超过0.43%相比,复杂的商业电容米

以来这种类型的边缘场电容式传感器的灵敏度取决于铜手指和材料之间的距离被测量,我们使用一个常规焊接掩模( μ在互相交叉电容器m)。之间的保护层是必要的,以避免短路造成的手指纸浆和消除水FR-4吸附。

PCB内部铜层接近底部的PCB形式提供屏蔽的保护飞机的干扰也高速数字信号和从外部电场。内部铜层接近顶部的PCB也用作保护飞机,但它是连接 ,最小化错误所引起的电源(18]。顶部的PCB包含SMD元件直接接口的传感器微控制器电路和蓝牙模块。而不是使用焊接掩模顶部的PCB,我们保护组件和FR-4董事会硅胶层,考虑到组件将在一个非常潮湿的环境。在工业环境中使用时,建议罐的顶部PCB环氧树脂。

观察到,对于小电容测量,传感器和单片机之间的布线对电磁干扰非常敏感,还引入了寄生参数。提出了传感器的一个重要特征是连接的长度传感器和处理电路的非常小,使用顶部和底部之间的PCB通过互相交叉电容器,测量只有大约2.4毫米(FR-4板的厚度)。PCB的布局互相交叉电容器呈现在图2。

4所示。信号处理电路

信号处理电路可以分为两块:(a)使用一个直接接口传感器的电容测量电路单片机和(b)数据传输电路,它使用传统的蓝牙模块传输测量数据到外部设备(智能手机或平板电脑)。

4.1。微控制器的直接接口的传感器

单片机技术的直接接口的传感器是一个巧妙的方法提出的归复et al。17,19),用来测量电阻和电容只使用一个微控制器(包含一个内部比较器),没有任何额外的模拟电路。在这项工作中,我们提出一个新颖的简单的和健壮的直接接口传感器微控制器技术,基于该技术开发的归复等人测量传感器的电容,允许增加电容测量分辨率不使用高频振荡器。

测量电容使用直接接口传感器微控制器技术,基于RC电路的系统使用。在这种方法中,单片机措施所需的时间电容器的充电和放电两个固定电压,通过一个阻力 。可以用来测量电路或 ,根据哪一个是已知的。还有另一种方法,它也被认为是一个直接接口传感器,单片机,在单片机措施所需的特定的循环次数参考电容器的电荷转移到电容测量(下20.- - - - - -23]。然而,这种技术更复杂,因为它需要一个外部的开关电容电路,我们不会在这项工作中使用它。电荷转移方法的另一个有趣的方法来测量电容直接与单片机是QTouch外围触摸控制器,由ATMEL [24),特殊处理电路单片机内部转移电荷的测量外部电容器在单片机内部电容器。然而,这种技术并不适合检测小电容的变化(25]。

简单的直接接口传感器的原理图单片机电路用来测量电容如图3。

电路运行基于时间间隔技术,期间的时间与测量设备,恒频振荡器的脉冲数。的线路图1旨在测量电容器吗(或电阻 );阶段的时间间隔是由电荷(或流量)的电容器通过 。这些阶段在图所示4。

振荡器的脉冲数量可以计算收费的阶段期间( ,与脉冲)或放电( ,与脉冲)。充电阶段由设置I / O单片机销逻辑电平“1”,把一个电路电压等于电源电压在这个销和充电电容器通过 。

电容器的电压( )由I / O读取单片机销吗这是连接到单片机内部和迟滞比较器,与访问点和 。电容器充电所需的时间从一个电压一个电压是由

放电所需的时间从来被编写为

在方程(括号内的条款2)和(3)是常数,表明两种和是成正比的 。因此,计数脉冲振荡器在这些时间或 ,人们很容易计算的价值或 ,如果其中一个是已知的。由于较小的噪音电压(18),在放电脉冲振荡器通常计算时间( )。

5。传统的测量技术的局限性

重要的是要注意,对于小的电容值,时间间隔和可以非常小。例如,如果一个电容 pF被测量,典型值 米Ω, V, V, 第五,我们获得 μ年代。

因此,能够检测1%的变异( pF),我们将必须能够检测到变异 ns。在这样一个系统,来检测 pF的区别只有10项的振荡频率(看起来非常不可靠),我们将需要一个振荡器频率高 MHz。因为电阻的值是附近最高的实际限制,传统的时间间隔使用单片机技术很难使用振荡器。

5.1。小说直接接口传感器单片机电路测试技术

允许的测量非常小的电容变化,我们开发了一种不同的方法来阅读的直接接口传感器微控制器电路。而不是计数脉冲振荡器的开发方法指控电容器几乎瞬间(通常小于1 ns),然后计算放电周期的数量,在一个固定的时期 。一次方案图呈现在图5。如果电容测量不需要更新的速度快,这一段时间可以很长(数百毫秒甚至秒)。

使用这个新计划 年代,放电的循环次数 pF是 。如果提出了一种变异 pF,放电时间 μs + 153 ns,放电周期期间的数量 年代将 ,因此,不同数量的计数 ,因此很容易发现这个小电容的变化。此外,由于我们成千上万的测量的平均值,噪音出席比较器的跳变点过滤。

6。电路实现

使传感器的便携式和考虑到信号处理电路的电流消耗很低(约50μ一个,其中包括蓝牙传输每2 s),我们决定功率的电路使用单一/ 3.6 1.2 V锂/亚硫酰氯电池。

信号处理电路中使用智能传感器呈现在图6。因为在这个电路电容器充电 ,有必要提供一个低噪声和temperature-stable电压 。因此,提供一个稳定的电压 ,我们使用了LP5907来自德州仪器、超低噪声(<6。5μV_RMS退出(LDO)) 3.3 V低电压调节器,与一个典型的温度系数ppm / 40°C 25°50°C的范围。

单片机的内部比较器(MSP430FR2111,从德州仪器)用于智能传感器并不取决于 。而不是电压的一小部分 ,比较器的跳变点可以被编程(使用和内部DAC)几个固定的值,在我们的设计,我们使用的价值 V。

我们可以使用一个非常精确和低TC电阻器(例如,0.001%±5 ppm /°C电阻器)由于该组件和消除错误。然而,也有一些错误,不能被取消(一)的温度漂移(约1μV/°C)定义的 ,内部微控制器的参考电压(b)互补金属氧化物半导体晶体管的非零输出阻抗引入一个小的串联电阻在放电周期(c)寄生参数在单片机针影响被测电容的值

消除这些错误,使用self-calibrating电路,模拟电路,具有相同的配置电路用来衡量一个著名电容器电容的措施(26]。测量过程从虚拟开始校准电路首先激活,和放电循环的数量是获得。接下来,与下的电容测量电路被激活,测量放电的循环次数比校正电容器。

假设两个电容(和 )出院时,测量从单片机的I / O销吗在“0”的逻辑,在高阻抗(HZ)设置为“1。“这力量一个电压等于在节点之间的和 。自是留在赫兹,电容器吗是漂浮在这个阶段。

在充电周期,电容器直接连接到单片机销吗而被指控在一个非常快速 ,有限的单片机引脚的输出电流。因为销 ,连接到 ,最初在高阻抗(HZ),所有当前这使得单片机销吗进入 。因此,如果单片机的输出电流限制的典型值8马,收取所需的时间将只有8 ns 100 pF电容器相比,可以忽略放电时间的顺序的μ年代。

后已经完全被指控(在下一个单片机的指令,后发生至少125 ns吗设置为高),设置为高阻抗、电容排放通过 。在电压比较器检测到到达 ,这是由放电时间

接下来,执行相同的步骤,但是使用测量下的电容器 ,和它的放电时间

放电时间的比值在校准阶段( )在度量阶段( )是 和的值可以很容易地计算

的数量在每个度量阶段是由脉冲数

因此,结合方程(7),(8)和(9),我们得出这样的结论: 我们有一个线性的和易于使用的关系来计算的值和 。

打印的示波器屏幕显示瞬时充电和放电时间(取决于电容值)的参考电容器和传感器的电容(在空气中)显示如果图7。

获得精确的测量时间(我们使用 年代),实时时钟晶体( 赫兹)使用。计时器的定义开始的过渡从赫兹到高。在测量期间结束,下一个过渡从赫兹到高启动计时器再一次,测量未知的电容器 。

在这个原型,我们想要测试是否有可能制造高速数字电路和通信顶层的PCB传感器没有干扰电容测量,一个商业HC-05蓝牙模块在智能传感器的顶部焊接PCB。这个模块传送测量数据到外部设备(智能手机或平板电脑)。当然,在最后一个产品,一个蓝牙模块像da14531 - 00000 og2从对话框应该使用半导体,这将使其容易环氧PCB上的一面。

重要的是要注意,单片机和蓝牙模块之间的通信协议是完全一样的,如果我们使用一个HC-05或低成本的蓝牙模块da14531 - 00000 og2一样,没有什么需要改变。智能传感器的PCB的照片,没有电池连接,如图8。

7所示。实验结果

7.1。传感器的标定

电路的电容测量电路复制并实现在一个两层PCB,没有互相交叉的电容器在底部的一边。商业电容器是首先测量GenRad 1659 RLC Digibridge,然后使用我们的直接测量单片机接口电路。

在图9,我们将展示一种情节与我们的传感器测量电容值,值的函数GenRad 1659 RLC Digibridge获得。的最大区别测量仅为0.43%,计算电容范围很大,从560 pF 1.98 nF。

7.2。材料和方法

论文的末尾的纸浆机基本上是一个悬架由水和纸纤维。这悬架是分布在一个网格托盘(纸行业被称为“线”),和纸浆的含水率测量,为了让它继续下一个加工步骤。

准备设置测量传感器,我们建立了一个小网(一个圆形托盘直径30厘米)效仿,在实验室,工业的条件在湿部单面纸制造机。

传感器安装在一层薄薄的透明聚酯板(厚度为0.5毫米),以便设备可以放置在纸浆,确保大型表面具有良好的纸浆和聚酯板之间的联系。

在我们的实验中,纸浆悬浮液通过液化(使用传统的厨房搅拌器)控制大量的纸和水,加权在精度范围内。在图10,我们将展示一种测量装置的原理图。

首先,我们准备了六个纸浆悬浮液与重量含水量范围 %, %,每个样品的体积大约一升。智能传感器是编程传输连续的值和 ,所以每2年代我们可以计算的价值 ,和的值和在智能手机阅读。为每个值与不同价值观的纸浆 ,我们花了几个测量,无需移动传感器在纸浆的表面。

在图11,我们提出了一个测量电容的情节(从五个测量,平均每两秒),作为一个函数的体积含水量在纸浆, C。它可以观察到,变化是非线性的,与其他的pcb传感器用来测量含水量。

这很容易解释,PCB电容传感器的价值固定电容器(定义为介质组成的焊接掩模片)与一个不同的电容器,这是定义的介质组成的纸浆。这个平行协会产生的电容是非线性10]。

7.3。传感器与温度的变化

它已被证明在27],边缘场电容传感器对温度变化敏感。自运营商在纸机湿部的可以很容易地获得纸浆的温度,重要的是提供一个温度修正的电容测量纸浆。

获取校正方程,进行了一个简单的实验。一个托盘与纸浆91%的含水量是准备,和发达传感器是用来测量纸浆。系统插入到热室和提交给温度变化的范围20°C到40°C。假设不改变含水量测量期间,和测量电容的变化仅仅是由于传感器的温度敏感性。测量结果绘制在图12。

作为一个可以观察到电容的变化与温度几乎是线性的,所以我们可以写 在哪里电容测量的值是在25°C(如图11), C,纸浆的温度测量,电容的测量值,的值是 ,计算的 pF/°C从图中给出的线性方程的斜率12。

因此,测量后和 ,的价值可以很容易地计算使用方程(2)。与计算,我们可以确定所需的电容范围内1428 pF - 1519 pF,对应的含水量范围(60%到92%)。这可以很容易地实现在智能手机软件。

8。重复性和再现性测试

在纸生产过程中,水分含量测量的重复性的纸浆获得恒定的纸质量很重要。因此,我们进行了一系列的测试来评估开发的智能传感器的重复性和再现性的担忧。

8.1。可重复性测试

我们进行重复性测试纸浆水分含量 %, %, %。乳液是放置在网格和传感器安装。接下来,没有令人不安的纸浆或传感器,我们七个电容测量,2 s的间隔。假设纸浆不能改变它的水分含量在这一小段时间9]。在数据13- - - - - -15这些测试的结果,我们礼物。的计算值均值和标准差如表所示1。这是观察到的最糟糕的情况发生 %,计算标准偏差 fF,四个数量级比均值较小 pF。

8.2。再现性测试

模仿制造环境中,运营商移动线周围的传感器区域检查纸浆水分,我们进行了再现性测试。再现性测试评估能力的传感器安装和删除几次,读同样的纸浆和一致的价值观。

在我们的测试中,我们准备了纸浆,安装了传感器,使测量。接下来,传感器被,清洁,和一个新的测量是用相同的纸浆。这是重复9次,结果如图所示16。最大平均偏差值仅为0.006%,表明该传感器可以移动机器的湿部和用于测量纸浆的不同部分一致的结果。一个示例的纸浆 %用于再现性测试。

9。结论

电容边缘领域智能传感器用来测量含水量在纸浆造纸机湿部的开发和测试在实验室。互相交叉的电容式传感器是基于标准的PCB技术。智能传感器是使用但是PCB制作的,它允许添加地面飞机和盾牌飞机的内部层PCB。互相交叉电容器是图案在底部一侧的PCB和信号处理电路焊接PCB的最高端的。

这种施工工艺省去了传感器和信号处理电路之间的连接(连接极短,用PCB通过顶部和底部层之间),消除杂散电流之间的干扰可以通过连接耦合。研制了一种新的信号处理技术,使得系统的测量很小的偏差使用低频振荡器电容。

电路的电容测量电路复制并实现在一个两层PCB,没有互相交叉的电容器在底部的一边。商业电容器是首先测量GenRad 1659 RLC Digibridge,然后使用我们的直接测量单片机接口电路。最大区别测量计算仅为0.43%,对于一个大电容,范围从560 pF 1.98 nF。

传感器测试在实验室使用设置模拟造纸机湿部的。虽然纸浆进入造纸机湿部的高含水量(通常是99%),需要等待,直到它到达的范围 %到92%,直到它可以去下一个加工步骤。在这个的变化范围 pF测量。重复性试验表明,给出的测量值的偏差意味着比平均四个数量级较小。再现性测试,由九种不同的测量在同一纸浆,显示,观察到的最大误差小于0.006%。

智能传感器测试20°C到40°C的温度范围,在纸浆重量含水量为91%。自电容随温度的变化几乎是线性的,我们提出一个简单的线性补偿方程正确的观察与温度敏感性。

测量数据无线传输(通过蓝牙),消除造纸机的传感器和控制器之间的连接。

数据可用性

测量数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究的部分经费由CAPES-Brazil-Finance代码001。

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