[发明专利]一种分程式并行结构电容阵列测量电路

说明书

本发明涉及一种分程式并行结构电容阵列测量电路，其特征在于包括五个部分：通道选择电路、分程式C/V转换器、数字递推解调器、激励信号发生电路和控制电路。针对具有N个电极的电容阵列传感器，所述电路具有N个测量通道；每个通道包括一个通道选择电路，每个通道选择电路具有两个“T”型开关电路，每个“T”型开关电路电路包括三个电子开关；每个通道包括一个分程式C/V转换器，每个C/V转换器包括一个反馈电容、M个反馈电阻、M个电子开关、一个运算放大器；数字递推解调器包括N个模数转换器和一个数字信号处理芯片，每个通道单独使用一个模数转换器，多个通道共用一个数字信号处理芯片；激励信号发生电路包括一个参考时钟、一个相位累加器、一个正弦查找表、一个数模转换器、一个低通滤波器。

技术领域

本发明涉及一种分程式并行结构电容阵列测量电路，属于分布参数测量领域。

背景技术

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)技术是一种用于测量被测场域内介电常数分布的可视化技术手段，常用于多相流动过程监测。它通过测量被测场域边界的电容值来反演出被测场域内的介电常数分布，进而获得不同介电常数对应的物质分布情况。与传统的参数检测技术相比，ECT技术具有以下优点：①非侵入，不破坏被测物场分布；②采用低压交流激励，无辐射、安全；③无需机械扫描，响应快、实时性高；④结构简单，成本低；⑤可反演得到被测对象内部的介电常数分布信息，提供在线的二维或三维可视化图像。因此，ECT技术在石油、化工、电力、冶金及航空航天等领域中的过程监测及特征参数提取方面具有广泛的应用前景。

电容的精确测量是ECT技术的核心。最常用的微小电容测量方法主要有两种，分别为充放电式(charge-discharge)和交流式(AC-based)。其中，充放电式电容测量电路以其结构简单、成本低廉、功耗低等优点而最早被ECT系统所采用，但是其固有的零点漂移和电子开关注入电荷等问题一直制约着其对微小电容检测精度的进一步提高。自从1994年W.Q.Yang发表其关于高频率、高精度的微小电容检测电路的相关研究内容以来，这种以交流信号激励和检测为基础的电容测量电路开始被广泛引入到ECT系统设计中，并成为学者们的研究热点。最初，受到加工工艺和微电子发展水平的限制，基于交流法的微小电容检测电路多以模拟元件为基础搭建。虽然这种以模拟元件为基础的交流式微小电容检测电路已经较为成功地应用到ECT系统中，但是其结构相对复杂，且受到模拟低通滤波器响应时间的限制，图像数据采集速度往往只有数十帧/秒，较难实现对快速变化过程对象的实时监测。近年来，随着高性能数字处理器件(如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray,FPGA)和数字信号处理器(Digital Signal Processer,DSP)等)和高速模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)的推广，传统模拟系统中的部分关键模块(如正弦信号发生器、模拟解调器等)可改用数字信号处理方法来实现，从而大大简化了原有系统的结构。

目前，针对ECT中的电容测量技术，研究者已经取得了较多的研究成果。尽管ECT技术相较于传统技术有很多优点，但同时也面临着很多的挑战：①ECT图像重建是一个典型的逆问题求解问题，微小的电容测量误差都会造成解的不准确，因此，ECT边界电容的精确测量是决定ECT技术应用效果的关键因素之一；②尽管ECT技术的实时性较高，但当ECT技术应用于监测快速变化的对象或者用于速度测量时，需要在保证测量信噪比的同时，得到更高的图像采集速度，以提供更高的时间分辨率。提高ECT系统的测量速度有两种方法，一是提高电容测量速度，二是使用高速电容测量模式。传统的串行式ECT系统采用遍历的形式，具有低成本、结构简单的优点。然而串行结构同样存在几个不足：①由于每两个电极之间的电容测量都需要进行切换，每次测量之间都需要留出开关切换的时间，在串行结构中，这些时间是叠加的，因此串行结构限制了测量速度的进一步提高；②串行结构的通道切换电路需要采用多个电子开关，其接通电阻和关断电容对电容测量精度会有一定影响。