２０１１年第２期
仪表技术与传或器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
ａｎｄ
Ｓｅｎｓｏｒ
２０ｌｌＮｏ．２
www.grain17.com
塑料薄膜厚度在线测量系统的设计
闫
坤
（辽宁机电职业技术学院，辽宁丹东１１８００９）
摘要：文中提出了一种基于虚拟仪器的塑料薄膜厚度在线测量系统，主要介绍了测量系统的组成结构，基于电容传感
器的塑料薄膜厚度测量系统的在线测量原理以及以数据采集卡ＰＣＩ—Ｍ６２２０作为执行机构的运动控制系统的实现方案，并设计了接口板控制电路和虚拟仪器程序对系统的控制过程，并对系统准确性、传输误差和线性校正做了实验，实验证明该设计提高了原有系统的稳定性、可靠性和运行速度。关键词：在线测量；虚拟仪器；电容传感器；薄膜厚度中图分类号：ＴＱ３２０
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２—１８４１（２０１１）０２—００９１—０４
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ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｎ－ｌｉｎｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｖｉｒｔｕａｌ
０引言
目前市场上对塑料薄膜的需求量持续上涨，市场前景十分广阔。而塑料薄膜加工中的厚度是一个非常重要的参数，它直接关系到塑料薄膜能否正常工作，同时关系到企业的成本以及企业的竞争力。因此，研究塑料薄膜厚度在线测量具有重要的理论意义和实际价值。该系统改进了原测量系统的不足，达到了控制更及时，运动更稳定，测量更准确的目的。１在线测量系统实现方案
在线检测系统主要有２个功能：控制测量头的往复直线运动、采集和处理测量数据。系统采用ＰＣＩ—Ｍ６２２０数据采集卡，它与上位Ｐｃ机一起工作，实现了运动控制与数据采集的双重功能。
１．１测量系统的组成
系统由以下５部分组成：ＰＣ机、数据采集卡、伺服驱动器、伺服电机和执行机构。测量系统流程如图１所示。
脉冲
的“大脑”。
数据采集卡：根据上位机的命令实时向驱动器发送运动信号，同时在线采集各种测量数据，是系统的“中枢神经”。
驱动器：将数据采集卡的信号经过ＰＩＤ换算后传给电机，同时将电机编码器反馈传给数据采集卡，是系统的“末梢神经”。
电机：运动执行机构，将电能转化为机械能，并产生移动到期望位置所需的转矩，是系统的“四肢”。
机械机构：电机被设计为某些机械结构提供转矩，如线性滑杆、机械臂或特殊执行器等，是系统的目标。该系统中，最终目标是实现对测量头直线往复运动的控制。
１．２
电容传感器厚度测量原理
系统采用电容测微仪，其核心是一变极距式的电容传感
器，基于极板间介质变化与电容值变化的具体函数关系，通过测量极板电压反映极板间塑料薄膜厚度的变化。其原理和结构如图２所示。
图１测量系统流程图
各部分功能如下：
ＰＣ机：建立运动轨迹，在线控制整个系统运动状态，同时提供虚拟仪器界面对系统进行实时操作，是整个运动控制系统
逝
收稿Ｅｔ期：２０１０—１１—２０收修改稿日期：２０１０—１２—０１
图２电容测微原理图
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ｆｅｂ．２０１ｌ
由图２可知，Ｈ表示电容测量头与下极板表面之间的距离，Ｈ。表示电容测量头与待测蝮料薄膜之间的距离，吼表示待测薄膜与下极板表面的距离，ｈ表示待测坦料薄膜的厚度，由于塑料薄膜与空气的介电常数不同，设塑料薄膜的相对介电常数为占，，而真空介电常数为８０（８０＝８．８５×１０“２Ｆ／ｍ），Ｓ为有效测量面积，所以可得如下公式：
图４
电容法测量原理框图
空气膜所产生的电容：Ｃ。＝东等≥＝矛妄
高增益主放大器、非接触式电容传感器、精密整流器、低通滤波器和稳压电源。其作用是：稳幅振荡器产生交流稳幅信号，通过精密限幅及缓冲作为传感器的标准激励源。主放大器与电容传感器组成运算式测跫电路，主放大器具有高输入阻抗及电缆驱动能力，并保证足够大的开环放大倍数ＡＶ来达到高精度、
（１）
高增益的放大运算。精密整流器对放大器输出的调幅信号进行整流，低通滤波电路用于滤除载波信号和一些高频干扰，还原出被测信号。仪器采用２个独立的稳压电源，电源１给稳幅振荡器和主放大器供电，电源２给精密整流器和其他系统供电。最终输出电压％的幅值与电容极板间距成正比。
利用电容测微仪测量塑料薄膜厚度时将式（１）代入式（２）可得，理想状态下，电容测微系统的输出电压Ｋ与塑料薄膜厚度之间的关系为：
两极板间总电容：Ｃ２考｛薏。万瓦瓦■寻丽化简整理后得：吉＝一丽Ｈ＋等
Ｌ
占ｎ６
占ｎ占，Ｊ
待测塑料薄膜所产生的电容：Ｃｚ＝６下０ｓｒ＇３
对式（１）分析可知，结果的第一项是一个常数，不受塑料薄膜厚度的影响，而第二项包含未知的塑料薄膜介电常数占，和待测得甥料薄膜厚度，如果８。已知，那么两极板间的电容的倒数与待测塑料薄膜的厚度是一次函数关系。经过一定的测量电路，将电容变化量转换成易于处理的电压、电流等电量变化，塑料薄膜的厚度测量即可实现。１．３在线测量系统测量原理
为了解决传感器在信号传输时外来干扰和引线电缆的有害寄生电容的影响，系统采用了驱动电缆技术。图３所示为电容测微仪实际使用的驱动方案。
％：一笋Ｋ：一譬蚝［一尝＋鱼型］
ｂＴ
ｄ
６０
（３）
ｏｐ０占ｒ
由式（３）可知，在Ｃ。、魄、占，已知，Ⅳ固定的情况下，理想状态输出电压％与塑料薄膜厚度之间是一次函数关系。１．４控制接口板的电路设计
在图１所示的控制系统中，数据采集卡发出的信号并不能直接与伺服驱动器及其他传感器匹配，必须在二者之间增加一块连接接口板使其信号匹配，同时将接口板放入控制盒固定。以下介绍采集卡与伺服驱动器的连接。
伺服驱动器的位置信号都是采用差动驱动的形式进行传
图３电容测微仪驱动方粟
输，考虑到可靠性，中间加入高速光耦６Ｎ１３７用来进行光电隔离。
１．４．１脉冲＋电平信号控制伺服电机
脉冲由采集卡计数器如产生控制电机转速和位置。电平由数字Ｉ／０产生控制电机方向，由６Ｎ１３７隔离后采用２６ＬＳ３１芯片以差动输入伺服驱动器。具体连接如图５所示。１．４．２接收伺服编码器信号
编码器脉冲输出信号由２６Ｃ３２芯片转换后经６Ｎ１３７隔离后引入采集卡上的计数器亿。具体连接如图６所示。１．５运动系统控制１．５．１电机控制方案
为了保证电机运行的安全性，除读取伺服编码器的脉冲信号来控制电机外，还在扫描架两端安装了４个位置开关以确保电机能够及时转向。具体方案如图７所示。
图中Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ是４个光电开关作为系统的位置开关。其中Ｂ、ｃ所限定的１．７ｍ范围是塑料薄膜成品的最大宽度，也是测量头的正常运行最大范围，测量头可以在该范围内做匀速往
由图３可见，传感器与运算电路间采取低分布电容双屏蔽电缆连接，外屏蔽层接大地防止外界电场的干扰，内屏蔽层与线路地（屏蔽地）相接。应用该技术可以把电缆电容的影响减到很小，而且线路简单，成本低。
当传感器ＣＴ被连接到放大器的负反馈回路里时，根据负反馈放大器工作原理，在放大器的开环增益ＡＶ：》１０４；输入电阻Ｚ；》１０９ｎ的前提下，反馈放大器闭环输出特性由式（２）确定：
Ｖｏ＝象Ｋ＝一锾蚝＝一是蚝＝一警Ｈ㈣
式（２）中：Ｃ。为运算放大器输入端的标准电容；Ｚ。为运算放大器输入网络等效阻抗，ｚＦ为运算放大器输出网络等效阻抗；Ｋ为稳定的标准信号源，即运算放大器的输入电压；Ｃ，为电容传感器的电容量；ｖ０为理想状态测微系统输出电压；Ａ、日为传感器的有效面积和测量距离。
根据式（２）所示，电容测微仪所采用的电路框图如图４所示。
由图４可知，电容测微仪的电路中包括：精密稳幅振荡器、
复运动，超过Ｂ、Ｃ就要开始减速。Ａ、Ｄ是２个限位开关，用于
第２期同坤：塑料薄膜厚度在线测量系统的设计
限定测量头的最大缓冲距离，当测量头运行至Ａ、Ｄ位置时，会型），响应频率１ｋＨｚ．用光耦ＴＰ５２１—４接收４路光电开关信立即停止、转向、再加速启动。号，输出再引入采集卡的４路数字Ｉ／Ｏ。同时在光耦输出端并１．５．２接口电路设计
联发光二极管，用于发生故障时确定问题发生在哪里。具体电
位置开关选用光电开关ＥＥ—ＳＸ６７１，ＮＰＮ输出，入光时灯路如图８所示。
亮，工作电压５Ｖ（５—２４
Ｖ４－１０％），消耗电流３５
ｍＡ以下（ＮＰＮ
＋５Ｖ
图５伺服电机控制电路
图６读取编码器信号电路
置、在线测量、数据分析等过程。具体控制过程如图９所示。３实验结果及数据分析
实验分３个部分：测量系统准确性测定、信号传输误差测
Ａ
：里塑墨堂望塑堡苎璺：！：！竺定、线性校正。
：ｏ
，
３．１测量系统在量程内的读数分布情况
首先考察电容测微仪在整个量程的读数分布，实验在现场
图７电机转向控制方案
环境下进行，分别测试了电容测微仪在量程内的读数分布。数２虚拟仪器测量控制程序
据曲线如图１０所示。
塑料薄膜厚度在线测量系统的上位机控制程序是在Ｌａｋ由图可见，用于采用了运算放大器，在整个量程内％和被ＶＩＥｗ编程环境下编写的虚拟仪器程序，在主页面上通过图表
测厚度ｈ都保持了良好的线性关系。工具对采集数据进行动态观测和分析。
３．２电容测微仪信号传输效果
一个完整的测量操作，包括测头复位、测头标定、参数设
电容测微仪输出信号Ｋ在长距离传输时是以电流形式实
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参考文献
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ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ｆｅｂ．２０１ｌ
图５所示试件２的二次谐波幅和基频波幅值平方的关系曲线，分别对２次测量数据进行线性拟合，最佳拟合曲线方程为：
测量１测量２
不明显。这可能是因为：
（１）实验所用的试件虽然来自同批材料，加工时也尽可能
的一致，但不可避免的会存在个体差异；
（２）在试件承受较大应力时，材料内部可能会出现微裂纹，从而增加材料的衰减系数。而超声衰减系数与频率的平方成正比，使二次谐波幅值衰减大于基波幅值衰减，超声非线性系数有所下降。４结束语
改进了一套可靠的超声非线性系数测试实验系统。并利用该系统进行了一组ＬＹｌ２铝合金拉伸试件非线性超声检测实验。实验结果表明，在塑性阶段，随着拉伸应力的增大超声非线性系数显著增加，超声非线性系数可以表征金属材料的力学性能退化。参考文献：
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Ａ２＝３．１６８Ａｊ＋０．００７Ａ２＝３．０９４Ａｊ＋０．１５２
ｒ＝０．９９９６ｒ＝０．９９８７
试件２的线性拟合曲线斜率大于试件１的线性拟合曲线斜率，表明试件２的超声非线性系数大于试件１的超声非线性系数，与实验结果一致。３．４实验结果
利用上述实验系统和实验方法对Ａ组和Ｂ组试件进行了超声非线性系数的实验测量。岛为Ａ组原始试件的超声非线性系数，口为拉伸到不同应力程度下的Ｂ组试件的超声非线性系数，用／３／届０对超声非线性系数进行归一化。
图６为归一化后的超声非线性系数与拉伸应力之间的关系。可以分为２个阶段，在屈服前的弹性阶段，超声非线性系数没有明显的增长变化；在塑性阶段，随着拉伸应力的增大，相对非线性系数近似单调增加。
［２］ＮＡＧＹ
ｒｉａｌｓ
ｏ
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Ｊ
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ｎｉｃｋｅｌ－ｂａｓｅｓｕｐｄｒａｌｌｏｙｕｓｉｎｇｎｏｎｌｉｎｅａｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
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ｎｅｗｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙｕｓｉｎｇＲａｙｌｅｉｇｈ
图６相对非线性系数与拉伸应力的关系
ｗａｖｅｓ．ＮＤＴ＆Ｅ
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（Ｓ０９６３—８６９５）。２００８，４１（５）：３２６—
根据文献［４］，金属材料的非线性源于晶格的非谐和以及
３２９．
在施加一定外载荷情况下晶体内部出现的位错和滑移带等微观缺陷。在弹性阶段，金属材料内部微结构还没有发生明显变化，所以只存在由晶格的非谐和造成的金属材料固有非线性产生的谐波。进入塑性阶段后晶体内部会有大量位错和滑移带等微观缺陷产生，非线性系数也会随之增大。因此，该实验结果是合理的，表明所用实验系统和方法可以有效的测量金属材料的超声非线性系数，超声非线性系数可以表征金属材料的力学性能退化程度。
另外注意到，材料超声非线性系数在塑性阶段虽然整体呈增长趋势，但拉伸应力为５１４ＭＰａ试件的超声非线性系数增加（上接第９４页）
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ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｉｎ
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ｗａｖｙ
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ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．
ｆｒｏｍｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｈａｒｍｏｎｉｃ
ｇｅｎｅ—ｒａｔｉｏｎ
ＰｈｙｓｉｃａｌＡｃｏｕｓｔｉｃｓ（Ｓ０８９３—３８８ｘ）。１９８４。１７：１—６０．
作者简介：颜丙生（１９７８一）．博士研究生。主要研究方向为非线性超声
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天津大学。２００９．
［４］杨砺宗，宁宗奇，林万勇．同位素薄膜在线测量系统．计算机测量
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作者简介：闫坤（１９６７一），副教授。硕士，主要研究方向为测控技术及自
动化。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｋｕｎ５２８＠１６３．ｔｏｎｉ
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摘要：文中提出了一种基于虚拟仪器的塑料薄膜厚度在线测量系统，主要介绍了测量系统的组成结构，基于电容传感
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ＤｅｓｉｇｎｏｆＯｎ－ｌｉｎｅ
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ａｎ
ＤｉａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｄａｎｄｏｎｇ
１１８００９，Ｃｈｍａ）
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ｏｎ—ｌｉｎｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｏｆｐｌａｓｔｉｃｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｉｔｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏ－
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ｄｕｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｐｌａｓｔｉｃｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｏｆｍｏｖｅｍｅｎｔ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ
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ｓｅｎｓｏｒ
ａｎｄｉｍｐｌｅ—
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ｏｎ
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ｅｒｒｏｒ
ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
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ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｓｙｅｔｅｍ．
ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｓｅｎｓｏｒ；ｆｉｌｍｔｈｉｅｋｎｅｓ
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０引言
目前市场上对塑料薄膜的需求量持续上涨，市场前景十分广阔。而塑料薄膜加工中的厚度是一个非常重要的参数，它直接关系到塑料薄膜能否正常工作，同时关系到企业的成本以及企业的竞争力。因此，研究塑料薄膜厚度在线测量具有重要的理论意义和实际价值。该系统改进了原测量系统的不足，达到了控制更及时，运动更稳定，测量更准确的目的。１在线测量系统实现方案
在线检测系统主要有２个功能：控制测量头的往复直线运动、采集和处理测量数据。系统采用ＰＣＩ—Ｍ６２２０数据采集卡，它与上位Ｐｃ机一起工作，实现了运动控制与数据采集的双重功能。
１．１测量系统的组成
系统由以下５部分组成：ＰＣ机、数据采集卡、伺服驱动器、伺服电机和执行机构。测量系统流程如图１所示。
脉冲
的“大脑”。
数据采集卡：根据上位机的命令实时向驱动器发送运动信号，同时在线采集各种测量数据，是系统的“中枢神经”。
驱动器：将数据采集卡的信号经过ＰＩＤ换算后传给电机，同时将电机编码器反馈传给数据采集卡，是系统的“末梢神经”。
电机：运动执行机构，将电能转化为机械能，并产生移动到期望位置所需的转矩，是系统的“四肢”。
机械机构：电机被设计为某些机械结构提供转矩，如线性滑杆、机械臂或特殊执行器等，是系统的目标。该系统中，最终目标是实现对测量头直线往复运动的控制。
１．２
电容传感器厚度测量原理
系统采用电容测微仪，其核心是一变极距式的电容传感
器，基于极板间介质变化与电容值变化的具体函数关系，通过测量极板电压反映极板间塑料薄膜厚度的变化。其原理和结构如图２所示。
图１测量系统流程图
各部分功能如下：
ＰＣ机：建立运动轨迹，在线控制整个系统运动状态，同时提供虚拟仪器界面对系统进行实时操作，是整个运动控制系统
逝
收稿Ｅｔ期：２０１０—１１—２０收修改稿日期：２０１０—１２—０１
图２电容测微原理图
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ｆｅｂ．２０１ｌ
由图２可知，Ｈ表示电容测量头与下极板表面之间的距离，Ｈ。表示电容测量头与待测蝮料薄膜之间的距离，吼表示待测薄膜与下极板表面的距离，ｈ表示待测坦料薄膜的厚度，由于塑料薄膜与空气的介电常数不同，设塑料薄膜的相对介电常数为占，，而真空介电常数为８０（８０＝８．８５×１０“２Ｆ／ｍ），Ｓ为有效测量面积，所以可得如下公式：
图４
电容法测量原理框图
空气膜所产生的电容：Ｃ。＝东等≥＝矛妄
高增益主放大器、非接触式电容传感器、精密整流器、低通滤波器和稳压电源。其作用是：稳幅振荡器产生交流稳幅信号，通过精密限幅及缓冲作为传感器的标准激励源。主放大器与电容传感器组成运算式测跫电路，主放大器具有高输入阻抗及电缆驱动能力，并保证足够大的开环放大倍数ＡＶ来达到高精度、
（１）
高增益的放大运算。精密整流器对放大器输出的调幅信号进行整流，低通滤波电路用于滤除载波信号和一些高频干扰，还原出被测信号。仪器采用２个独立的稳压电源，电源１给稳幅振荡器和主放大器供电，电源２给精密整流器和其他系统供电。最终输出电压％的幅值与电容极板间距成正比。
利用电容测微仪测量塑料薄膜厚度时将式（１）代入式（２）可得，理想状态下，电容测微系统的输出电压Ｋ与塑料薄膜厚度之间的关系为：
两极板间总电容：Ｃ２考｛薏。万瓦瓦■寻丽化简整理后得：吉＝一丽Ｈ＋等
Ｌ
占ｎ６
占ｎ占，Ｊ
待测塑料薄膜所产生的电容：Ｃｚ＝６下０ｓｒ＇３
对式（１）分析可知，结果的第一项是一个常数，不受塑料薄膜厚度的影响，而第二项包含未知的塑料薄膜介电常数占，和待测得甥料薄膜厚度，如果８。已知，那么两极板间的电容的倒数与待测塑料薄膜的厚度是一次函数关系。经过一定的测量电路，将电容变化量转换成易于处理的电压、电流等电量变化，塑料薄膜的厚度测量即可实现。１．３在线测量系统测量原理
为了解决传感器在信号传输时外来干扰和引线电缆的有害寄生电容的影响，系统采用了驱动电缆技术。图３所示为电容测微仪实际使用的驱动方案。
％：一笋Ｋ：一譬蚝［一尝＋鱼型］
ｂＴ
ｄ
６０
（３）
ｏｐ０占ｒ
由式（３）可知，在Ｃ。、魄、占，已知，Ⅳ固定的情况下，理想状态输出电压％与塑料薄膜厚度之间是一次函数关系。１．４控制接口板的电路设计
在图１所示的控制系统中，数据采集卡发出的信号并不能直接与伺服驱动器及其他传感器匹配，必须在二者之间增加一块连接接口板使其信号匹配，同时将接口板放入控制盒固定。以下介绍采集卡与伺服驱动器的连接。
伺服驱动器的位置信号都是采用差动驱动的形式进行传
图３电容测微仪驱动方粟
输，考虑到可靠性，中间加入高速光耦６Ｎ１３７用来进行光电隔离。
１．４．１脉冲＋电平信号控制伺服电机
脉冲由采集卡计数器如产生控制电机转速和位置。电平由数字Ｉ／０产生控制电机方向，由６Ｎ１３７隔离后采用２６ＬＳ３１芯片以差动输入伺服驱动器。具体连接如图５所示。１．４．２接收伺服编码器信号
编码器脉冲输出信号由２６Ｃ３２芯片转换后经６Ｎ１３７隔离后引入采集卡上的计数器亿。具体连接如图６所示。１．５运动系统控制１．５．１电机控制方案
为了保证电机运行的安全性，除读取伺服编码器的脉冲信号来控制电机外，还在扫描架两端安装了４个位置开关以确保电机能够及时转向。具体方案如图７所示。
图中Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ是４个光电开关作为系统的位置开关。其中Ｂ、ｃ所限定的１．７ｍ范围是塑料薄膜成品的最大宽度，也是测量头的正常运行最大范围，测量头可以在该范围内做匀速往
由图３可见，传感器与运算电路间采取低分布电容双屏蔽电缆连接，外屏蔽层接大地防止外界电场的干扰，内屏蔽层与线路地（屏蔽地）相接。应用该技术可以把电缆电容的影响减到很小，而且线路简单，成本低。
当传感器ＣＴ被连接到放大器的负反馈回路里时，根据负反馈放大器工作原理，在放大器的开环增益ＡＶ：》１０４；输入电阻Ｚ；》１０９ｎ的前提下，反馈放大器闭环输出特性由式（２）确定：
Ｖｏ＝象Ｋ＝一锾蚝＝一是蚝＝一警Ｈ㈣
式（２）中：Ｃ。为运算放大器输入端的标准电容；Ｚ。为运算放大器输入网络等效阻抗，ｚＦ为运算放大器输出网络等效阻抗；Ｋ为稳定的标准信号源，即运算放大器的输入电压；Ｃ，为电容传感器的电容量；ｖ０为理想状态测微系统输出电压；Ａ、日为传感器的有效面积和测量距离。
根据式（２）所示，电容测微仪所采用的电路框图如图４所示。
由图４可知，电容测微仪的电路中包括：精密稳幅振荡器、
复运动，超过Ｂ、Ｃ就要开始减速。Ａ、Ｄ是２个限位开关，用于
第２期同坤：塑料薄膜厚度在线测量系统的设计
限定测量头的最大缓冲距离，当测量头运行至Ａ、Ｄ位置时，会型），响应频率１ｋＨｚ．用光耦ＴＰ５２１—４接收４路光电开关信立即停止、转向、再加速启动。号，输出再引入采集卡的４路数字Ｉ／Ｏ。同时在光耦输出端并１．５．２接口电路设计
联发光二极管，用于发生故障时确定问题发生在哪里。具体电
位置开关选用光电开关ＥＥ—ＳＸ６７１，ＮＰＮ输出，入光时灯路如图８所示。
亮，工作电压５Ｖ（５—２４
Ｖ４－１０％），消耗电流３５
ｍＡ以下（ＮＰＮ
＋５Ｖ
图５伺服电机控制电路
图６读取编码器信号电路
置、在线测量、数据分析等过程。具体控制过程如图９所示。３实验结果及数据分析
实验分３个部分：测量系统准确性测定、信号传输误差测
Ａ
：里塑墨堂望塑堡苎璺：！：！竺定、线性校正。
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，
３．１测量系统在量程内的读数分布情况
首先考察电容测微仪在整个量程的读数分布，实验在现场
图７电机转向控制方案
环境下进行，分别测试了电容测微仪在量程内的读数分布。数２虚拟仪器测量控制程序
据曲线如图１０所示。
塑料薄膜厚度在线测量系统的上位机控制程序是在Ｌａｋ由图可见，用于采用了运算放大器，在整个量程内％和被ＶＩＥｗ编程环境下编写的虚拟仪器程序，在主页面上通过图表
测厚度ｈ都保持了良好的线性关系。工具对采集数据进行动态观测和分析。
３．２电容测微仪信号传输效果
一个完整的测量操作，包括测头复位、测头标定、参数设
电容测微仪输出信号Ｋ在长距离传输时是以电流形式实
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图５所示试件２的二次谐波幅和基频波幅值平方的关系曲线，分别对２次测量数据进行线性拟合，最佳拟合曲线方程为：
测量１测量２
不明显。这可能是因为：
（１）实验所用的试件虽然来自同批材料，加工时也尽可能
的一致，但不可避免的会存在个体差异；
（２）在试件承受较大应力时，材料内部可能会出现微裂纹，从而增加材料的衰减系数。而超声衰减系数与频率的平方成正比，使二次谐波幅值衰减大于基波幅值衰减，超声非线性系数有所下降。４结束语
改进了一套可靠的超声非线性系数测试实验系统。并利用该系统进行了一组ＬＹｌ２铝合金拉伸试件非线性超声检测实验。实验结果表明，在塑性阶段，随着拉伸应力的增大超声非线性系数显著增加，超声非线性系数可以表征金属材料的力学性能退化。参考文献：
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Ａ２＝３．１６８Ａｊ＋０．００７Ａ２＝３．０９４Ａｊ＋０．１５２
ｒ＝０．９９９６ｒ＝０．９９８７
试件２的线性拟合曲线斜率大于试件１的线性拟合曲线斜率，表明试件２的超声非线性系数大于试件１的超声非线性系数，与实验结果一致。３．４实验结果
利用上述实验系统和实验方法对Ａ组和Ｂ组试件进行了超声非线性系数的实验测量。岛为Ａ组原始试件的超声非线性系数，口为拉伸到不同应力程度下的Ｂ组试件的超声非线性系数，用／３／届０对超声非线性系数进行归一化。
图６为归一化后的超声非线性系数与拉伸应力之间的关系。可以分为２个阶段，在屈服前的弹性阶段，超声非线性系数没有明显的增长变化；在塑性阶段，随着拉伸应力的增大，相对非线性系数近似单调增加。
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根据文献［４］，金属材料的非线性源于晶格的非谐和以及
３２９．
在施加一定外载荷情况下晶体内部出现的位错和滑移带等微观缺陷。在弹性阶段，金属材料内部微结构还没有发生明显变化，所以只存在由晶格的非谐和造成的金属材料固有非线性产生的谐波。进入塑性阶段后晶体内部会有大量位错和滑移带等微观缺陷产生，非线性系数也会随之增大。因此，该实验结果是合理的，表明所用实验系统和方法可以有效的测量金属材料的超声非线性系数，超声非线性系数可以表征金属材料的力学性能退化程度。
另外注意到，材料超声非线性系数在塑性阶段虽然整体呈增长趋势，但拉伸应力为５１４ＭＰａ试件的超声非线性系数增加（上接第９４页）
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