[发明专利]一种用于电容层析成像系统的电容测量电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容测量电路，尤其是涉及一种用于电容层析成像系统的电容测量电路。

背景技术

随着当代科学技术的高速发展, 对广泛存在于工业过程中的两相流(多相流)体系的认知在科学研究和工程技术领域显得越来越重要。对于多相流的研究已经成为一个新兴的前沿学科。电容层析成像, 即ECT( Electrical Capacitance Tomography ) 是20世纪80年代末90 年代初提出的一种新的过程成像技术。

ECT 系统主要由传感器、数据采集系统和成像系统3部分组成。其基本原理是在流体流动管道沿管道外侧均匀地粘贴若干电容极板, 任意2个极板均可组成1个两端子电容。管道内两相流动介质的不同相分布会引起电容极板间介电常数变化, 从而改变电容值的大小。各对极板间的电容值包含了与相分布有关的信息, 通过测量不同极板组合间的电容值并将送入计算机按一定的算法进行图像重建, 就可以得到管道截面上的相分布图像。由于ECT传感器的被测电容值一般在0. 01pF~ 1 pF之间, 属于微弱电容的检测, 因而成为ECT系统中最关键、也是最难以解决的问题之一。

发明内容

ETC传感器的被测电容为微弱电容，测量时测量的分辨率易受电子开关的电荷注入效应影响，为了解决上述问题，本发明设计了一种交流激励的微电容测量电路。

本发明所采用的技术方案是：

用于电容层析成像系统的电容测量电路主要包括正弦激励信号、交流放大电路、解调及低通滤波电路、PCI1712数据采集卡、交流激励电容/电压转换电路等。由于只有被测电容的变化量才能对图像重建有贡献, 而被测电容值较小, 需经过交流测量电路后进一步放大, 然后采用模拟乘法器对其进行解调, 得出与电容成正比的直流电压信号, 再经低通滤波器滤除乘法解调器输出的高频分量。

所述的正弦激励信号采用AD7008芯片产生正弦信号。

所述的检测器和交流放大器以及低通滤波器均选用高精度运放LA741。

所述的相敏解调选用模拟乘法器MPY634。

所述的数据采集部分选用研华公司的高速数据采集卡PCI1712，简化电路并且可提高数据采集的速度。

所述的交流激励电容/电压转换电路采用的是带负反馈回路的C/V转换电路，其抗杂散性、分辨率可高达0.04fF。

本发明的有益效果是：

用于电容层析成像系统的电容测量电路抗寄生电容能力强、结构简单、容易实现，较好地解决了电子开关的电荷注入效应对测量分辨率的影响问题。实验表明:本电路电容测量的分辨率可达5. 5*104pF。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的交流激励电容测量电路整体示意图。

图2是本发明的交流激励电容/电压转换原理图。

具体实施方式

如图1所示，用于电容层析成像系统的电容测量电路主要包括正弦激励信号、交流放大电路、解调及低通滤波电路、PCI1712数据采集卡、交流激励电容/电压转换电路等。正弦激励信号频率ω对系统精度也有着重要的影响，ω越高越有利于提高系统精度，但由于激励信号源有内阻，信号频率不能无限大, 存在一个极限频率，当大于这一频率时杂散电容会因充电不满而将电源电压拉低，使测量结果不准确。若ωR_fC_f﹤1，选用电阻反馈方式会缩短放大器的过渡时间，但是输出比较容易受激励源频率变化的影响，输出信号与激励信号相比有一个90b的相移，这给解调信号的相位调节带来一些困难。若ωR_fC_f＞1，选用电容反馈方式，这时输出电压与反馈电阻和激励频率无关，主要是取决于被测电容C_x与反馈电容C_f的比值，但是放大器的过渡时间增加。

如图2所示，C/V转换电路中正弦信号V_S(t)对被测电容进行激励，激励电流流经有反馈电阻R_f、反馈电容C_f和宽带运放组成的检测器D转换成交流电压V₀(t)。流经C_S1的电流不会流过被测电容C_x，所以不会对测量结果造成影响。而C_S2接在运算放大器的正负输入端，在使用开环增益为无穷大的理想运算放大器的时候,由于C_S2两端电位为零，没有电流流过，因此不会影响测量结果。然而，使用开环增益有限的实际运算放大器的情况下，由于运算放大器正负输入端之间电压差不为零，因此会有电流流过C_S2，但是分布电容C_S2对测量电路输出电压幅度的影响与C_x相比少了几十万倍，所以可以忽略不计。C/V转换电路是一个低通电路，由C_f及R_f组成的反馈阻抗决定了该电路的响应速度和带宽，这个低通滤波电路的带宽对测量速度有着重要的影响。