摘? 要: 微小電容" title="微小電容">微小電容測(cè)量電路" title="測(cè)量電路">測(cè)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(lì)信號(hào)" title="激勵(lì)信號(hào)">激勵(lì)信號(hào)幅值可控交流型微小電容測(cè)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(cè)量電路? 電容層析成像

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　　電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography，簡(jiǎn)稱ECT)技術(shù)可提供常規(guī)檢測(cè)儀表無(wú)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(dòng)狀態(tài)等內(nèi)部行為的可視化信息，便于人們對(duì)工業(yè)過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制[1～2]。這種新型檢測(cè)技術(shù)是目前檢測(cè)領(lǐng)域尤其是多相流檢測(cè)領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。電容層析成像系統(tǒng)傳感器檢測(cè)部件由多極板" title="極板">極板陣列組成，如圖1所示。測(cè)量過(guò)程中兩塊極板按順序組合形成一系列檢測(cè)極板對(duì)，各極板對(duì)所檢測(cè)到的電容變化量一般小于3pF，且不同極板對(duì)的電容值差別很大(從0.01pF到3pF);同時(shí)，傳感器對(duì)地的雜散電容一般大于100pF。這就要求測(cè)量電路要具有抗雜散電容干擾、能測(cè)量微小電容變化、激勵(lì)信號(hào)幅值可變等功能。圖2是已研制成功的具有激勵(lì)信號(hào)幅值可控交流型微小電容測(cè)量電路。

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1 測(cè)量電路工作原理

　　如圖2所示，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值為A、角頻率為ω的正弦波V_i(t)，其中一路信號(hào)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(lì)信號(hào)V_s(t)，作用于待測(cè)電容Cx，另一路信號(hào)則作為相敏檢測(cè)器的一個(gè)輸入信號(hào)。

電路工作時(shí)，乘法器的輸出V_s(t)為:

　　式中，S為乘法器的乘法因子。

　　檢測(cè)放大器的輸出V_o(t)為:

　　取jωR_fC_f>>1，則(2)式為:

　　(3)式說(shuō)明輸出電壓與被測(cè)電容成正比。式中被測(cè)電容值Cx包含兩個(gè)分量:電極板對(duì)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ΔC_x，電路需要具有平衡掉本體電容C_s的功能。圖中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制差分放大器反相端的電位來(lái)達(dá)到平衡掉C_s的目的;通過(guò)改變計(jì)算機(jī)D/A輸出值來(lái)控制激勵(lì)信號(hào)V_s(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(méi)有和檢測(cè)放大器的輸入端相連，對(duì)輸出沒(méi)有影響，而C_s2雖然和檢測(cè)放大器的輸入端相連，但處于虛地狀態(tài)，兩端無(wú)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(lì)信號(hào)幅值可控與各極板對(duì)輸出的關(guān)系

　　為了測(cè)試激勵(lì)信號(hào)幅值可控與各極板對(duì)輸出的關(guān)系，我們采用一個(gè)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(cè)量各極板對(duì)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(lì)極板，極板2到極板12為檢測(cè)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(lì)信號(hào)幅值固定時(shí)，極板對(duì)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(lì)信號(hào)可控條件下，各極板對(duì)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(cè)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?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)裝置:在一個(gè)長(zhǎng)方體容器(長(zhǎng)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(duì)貼上銅箔作為電極(長(zhǎng)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(jì)算公式來(lái)計(jì)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(cè)定相對(duì)介電常數(shù)為2.25)作為測(cè)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(cè)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(duì)值為0.27fF，分辨率為2.84fF。

2.3 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

　　對(duì)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了62小時(shí)帶負(fù)載的穩(wěn)定性測(cè)試。負(fù)載為圖2所示的傳感器，其中極板1為激勵(lì)極板，極板7為檢測(cè)極板，其它極板接地。觀察結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯?2小時(shí)內(nèi)，最大波動(dòng)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)

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.

? Chemical Eng.， 1995；56：95～100

3 W.Q.Yang et.al.New AC-based Capacitance Tomography System，IEE Proc.- Sci. Meas. Technol，1999；46

? (1):47～53

4 W.Q.Yang et. al. High Frequency and High Resolution Capacitance Measuring Circuit for Process Tomogra-