摘? 要: 微小電容" title="微小電容">微小電容測量電路" title="測量電路">測量電路是電容層析成像" title="電容層析成像">電容層析成像系統硬件核心部件。本文提出并實現了一種激勵信號" title="激勵信號">激勵信號幅值可控交流型微小電容測量電路，實驗結果表明，電路的線性度、分辨率、穩定性等性能指標均達到成像系統的要求。
關鍵詞: 微小電容? 測量電路? 電容層析成像
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電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography，簡稱ECT)技術可提供常規檢測儀表無法提供的封閉管道及容器中非導電多組分物質的濃度、相輪廓、運動狀態等內部行為的可視化信息，便于人們對工業過程的監測與控制[1～2]。這種新型檢測技術是目前檢測領域尤其是多相流檢測領域中的一個研究熱點。電容層析成像系統傳感器檢測部件由多極板" title="極板">極板陣列組成，如圖1所示。測量過程中兩塊極板按順序組合形成一系列檢測極板對，各極板對所檢測到的電容變化量一般小于3pF，且不同極板對的電容值差別很大(從0.01pF到3pF);同時，傳感器對地的雜散電容一般大于100pF。這就要求測量電路要具有抗雜散電容干擾、能測量微小電容變化、激勵信號幅值可變等功能。圖2是已研制成功的具有激勵信號幅值可控交流型微小電容測量電路。
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1 測量電路工作原理
如圖2所示，信號發生器產生幅值為A、角頻率為ω的正弦波Vi(t)，其中一路信號經乘法器和微機D/A輸出的值B相乘后變成幅值可控激勵信號Vs(t)，作用于待測電容Cx，另一路信號則作為相敏檢測器的一個輸入信號。
電路工作時，乘法器的輸出Vs(t)為:
式中，S為乘法器的乘法因子。
檢測放大器的輸出Vo(t)為:
取jωRfCf>>1，則(2)式為:
(3)式說明輸出電壓與被測電容成正比。式中被測電容值Cx包含兩個分量:電極板對的本體電容(Standing Capacitance)Cs和實際電容變化量ΔCx。為了使轉換電路的最后輸出量直接反映實際電容變化量ΔCx，電路需要具有平衡掉本體電容Cs的功能。圖中，通過計算機控制差分放大器反相端的電位來達到平衡掉Cs的目的;通過改變計算機D/A輸出值來控制激勵信號Vs(t)的幅值。
圖2中Cs1和Cs2分別是極板和地之間形成的雜散電容，由于Cs1沒有和檢測放大器的輸入端相連，對輸出沒有影響，而Cs2雖然和檢測放大器的輸入端相連，但處于虛地狀態，兩端無電位差，因此，電路具有抗雜散電容干擾的功能。
2 實驗結果
2.1 激勵信號幅值可控與各極板對輸出的關系
為了測試激勵信號幅值可控與各極板對輸出的關系，我們采用一個具有12極板的ECT系統傳感器，在空管和充滿變壓器油條件下測量各極板對電容輸出變化量。傳感器結構如圖1所示。實驗中以極板1為激勵極板，極板2到極板12為檢測極板。實驗結果如圖3(a)和圖3(b)所示。由圖3(a)可以看出，當激勵信號幅值固定時，極板對1-2、1-12輸出最大(2.8pF)，而1-7最小(0.01pF)，兩者相差很大。而由圖3(b)可知，在激勵信號可控條件下，各極板對輸出是比較一致的。這將有助于改善重建的圖像質量。
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2.2 線性度及分辨率
由于傳感器所檢測的電容變化量很小(一般小于0.5pF)，實驗中很難找到這么小的電容值。為了能得到微小的電容變化量，我們設計了如下實驗裝置:在一個長方體容器(長為400mm，寬為164mm，高為258mm，材料為有機玻璃)內垂直懸掛兩塊平行的有機玻璃板，板內側相對貼上銅箔作為電極(長為300mm，高為180mm)，兩極板四周貼有屏蔽框，兩極板間距為45mm。設極板的面積為A，板間距為d，由于
，故可使用平行板電容器的計算公式來計算電容的變化量，從而為電路的線性度及分辨率實驗提供理論依據。實驗中使用變壓器油(經測定相對介電常數為2.25)作為測試介質，并使極板間充以一半的變壓器油。用滴定管以連續增加的油滴向容器內滴油。表1是測量電路輸出值與變壓器油變化量之間的關系。圖4是輸出值偏離理論直線圖。由表1及圖4可知，轉換電路具有較好的線性度和分辨率。線性相關系數為0.999972，偏離理論值最大絕對值為0.27fF，分辨率為2.84fF。
2.3 穩定性實驗
對轉換電路進行了62小時帶負載的穩定性測試。負載為圖2所示的傳感器，其中極板1為激勵極板，極板7為檢測極板，其它極板接地。觀察結果如圖5所示。可以看出，在62小時內，最大波動值為0.68fF。因此，轉換電路具有較好的穩定性。
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參考文獻
1 W.Q.Yang et. al. Development of Capacitance Tomographic Imaging Systems for Oil Pipeline Measurements.
? Review of Scientific Instruments， 1995；66(8)：299～301
2 S.J.Wang et. al. Real Time Capacitance Imaging of?Bubble Formation at the Distributor of a Fluidized Bed.
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3 W.Q.Yang et.al.New AC-based Capacitance Tomography System，IEE Proc.- Sci. Meas. Technol，1999；46
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4 W.Q.Yang et. al. High Frequency and High Resolution Capacitance Measuring Circuit for Process Tomogra-
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