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(tǒng)硬件核心部件。本文提出并實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路的線性度、分辨率、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)均達(dá)到成像系統(tǒng)的要求。
關(guān)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(shù)可提供常規(guī)檢測儀表無法提供的封閉管道及容器中非導(dǎo)電多組分物質(zhì)的濃度、相輪廓、運(yùn)動狀態(tài)等內(nèi)部行為的可視化信息，便于人們對工業(yè)過程的監(jiān)測與控制[1～2]。這種新型檢測技術(shù)是目前檢測領(lǐng)域尤其是多相流檢測領(lǐng)域中的一個研究熱點(diǎn)。電容層析成像系統(tǒng)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(fā)生器產(chǎn)生幅值為A、角頻率為ω的正弦波Vi(t)，其中一路信號經(jīng)乘法器和微機(jī)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(shí)際電容變化量ΔCx。為了使轉(zhuǎn)換電路的最后輸出量直接反映實(shí)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(jī)控制差分放大器反相端的電位來達(dá)到平衡掉Cs的目的;通過改變計算機(jī)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(tài)，兩端無電位差，因此，電路具有抗雜散電容干擾的功能。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 激勵信號幅值可控與各極板對輸出的關(guān)系
為了測試激勵信號幅值可控與各極板對輸出的關(guān)系，我們采用一個具有12極板的ECT系統(tǒng)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(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中以極板1為激勵極板，極板2到極板12為檢測極板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(a)和圖3(b)所示。由圖3(a)可以看出，當(dāng)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(zhì)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(shí)驗(yàn)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(shè)計了如下實(shí)驗(yàn)裝置:在一個長方體容器(長為400mm，寬為164mm，高為258mm，材料為有機(jī)玻璃)內(nèi)垂直懸掛兩塊平行的有機(jī)玻璃板，板內(nèi)側(cè)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(shè)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(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中使用變壓器油(經(jīng)測定相對介電常數(shù)為2.25)作為測試介質(zhì)，并使極板間充以一半的變壓器油。用滴定管以連續(xù)增加的油滴向容器內(nèi)滴油。表1是測量電路輸出值與變壓器油變化量之間的關(guān)系。圖4是輸出值偏離理論直線圖。由表1及圖4可知，轉(zhuǎn)換電路具有較好的線性度和分辨率。線性相關(guān)系數(shù)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(wěn)定性實(shí)驗(yàn)
對轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了62小時帶負(fù)載的穩(wěn)定性測試。負(fù)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(jié)果如圖5所示。可以看出，在62小時內(nèi)，最大波動值為0.68fF。因此，轉(zhuǎn)換電路具有較好的穩(wěn)定性。
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參考文獻(xiàn)
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