交流型微小电容测量电路的研制

　　摘 要: 微小电容" title="微小电容">微小电容 测量电路" title="测量电路">测量电路 是电容层析成像" title="电容层析成像">电容层析成像 系统硬件核心部件。本文提出并实现了一种激励信号" title="激励信号">激励信号 幅值可控交流型微小电容测量电路，实验结果表明，电路的线性度、分辨率、稳定性等性能指标均达到成像系统的要求。

　　关键词: 微小电容 测量电路 电容层析成像

　　电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，简称ECT)技术可提供常规检测仪表无法提供的封闭管道及容器中非导电多组分物质的浓度、相轮廓、运动状态等内部行为的可视化信息，便于人们对工业过程的监测与控制[1～2]。这种新型检测技术是目前检测领域尤其是多相流检测领域中的一个研究热点。电容层析成像系统传感器检测部件由多极板" title="极板">极板 阵列组成，如图1所示。测量过程中两块极板按顺序组合形成一系列检测极板对，各极板对所检测到的电容变化量一般小于3pF，且不同极板对的电容值差别很大(从0.01pF到3pF);同时，传感器对地的杂散电容一般大于100pF。这就要求测量电路要具有抗杂散电容干扰、能测量微小电容变化、激励信号幅值可变等功能。图2是已研制成功的具有激励信号幅值可控交流型微小电容测量电路。

1 测量电路工作原理

　　如图2所示，信号发生器产生幅值为A、角频率为ω的正弦波V_i(t)，其中一路信号经乘法器和微机D/A输出的值B相乘后变成幅值可控激励信号V_s(t)，作用于待测电容Cx，另一路信号则作为相敏检测器的一个输入信号。

电路工作时，乘法器的输出V_s(t)为:

　　式中，S为乘法器的乘法因子。

　　检测放大器的输出V_o(t)为:

　　取jωR_fC_f>>1，则(2)式为:

　　(3)式说明输出电压与被测电容成正比。式中被测电容值Cx包含两个分量:电极板对的本体电容(Standing Capacitance)Cs和实际电容变化量ΔCx。为了使转换电路的最后输出量直接反映实际电容变化量ΔC_x，电路需要具有平衡掉本体电容C_s的功能。图中，通过计算机控制差分放大器反相端的电位来达到平衡掉C_s的目的;通过改变计算机D/A输出值来控制激励信号V_s(t)的幅值。

　　图2中Cs1和Cs2分别是极板和地之间形成的杂散电容，由于Cs1没有和检测放大器的输入端相连，对输出没有影响，而C_s2虽然和检测放大器的输入端相连，但处于虚地状态，两端无电位差，因此，电路具有抗杂散电容干扰的功能。

2 实验结果

2.1 激励信号幅值可控与各极板对输出的关系

　　为了测试激励信号幅值可控与各极板对输出的关系，我们采用一个具有12极板的ECT系统传感器，在空管和充满变压器油条件下测量各极板对电容输出变化量。传感器结构如图1所示。实验中以极板1为激励极板，极板2到极板12为检测极板。实验结果如图3(a)和图3(b)所示。由图3(a)可以看出，当激励信号幅值固定时，极板对1-2、1-12输出最大(2.8pF)，而1-7最小(0.01pF)，两者相差很大。而由图3(b)可知，在激励信号可控条件下，各极板对输出是比较一致的。这将有助于改善重建的图像质量。

2.2 线性度及分辨率

　　由于传感器所检测的电容变化量很小(一般小于0.5pF)，实验中很难找到这么小的电容值。为了能得到微小的电容变化量，我们设计了如下实验装置:在一个长方体容器(长为400mm，宽为164mm，高为258mm，材料为有机玻璃)内垂直悬挂两块平行的有机玻璃板，板内侧相对贴上铜箔作为电极(长为300mm，高为180mm)，两极板四周贴有屏蔽框，两极板间距为45mm。设极板的面积为A，板间距为d，由于，故可使用平行板电容器的计算公式来计算电容的变化量，从而为电路的线性度及分辨率实验提供理论依据。实验中使用变压器油(经测定相对介电常数为2.25)作为测试介质，并使极板间充以一半的变压器油。用滴定管以连续增加的油滴向容器内滴油。表1是测量电路输出值与变压器油变化量之间的关系。图4是输出值偏离理论直线图。由表1及图4可知，转换电路具有较好的线性度和分辨率。线性相关系数为0.999972，偏离理论值最大绝对值为0.27fF，分辨率为2.84fF。

2.3 稳定性实验

　　对转换电路进行了62小时带负载的稳定性测试。负载为图2所示的传感器，其中极板1为激励极板，极板7为检测极板，其它极板接地。观察结果如图5所示。可以看出，在62小时内，最大波动值为0.68fF。因此，转换电路具有较好的稳定性。

参考文献

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-