微小电容检测方法及电路设计浅析

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摘要: 电容层析成像技术(electrical capac-itance tomography, ECT)是多相流参数检测中的一种新技术, 可提供封闭管道及容器中内部的可视化信息, 具有结构简单, 采用非侵入式, 响应速度快等特点。其中电容的测量是该技术的关键部分,ECT 中的电容测量属于弱电容测量, 且要求分辨率高、数据采集速率快, 这使得许多常用的电容测量方法不能适用。本文介绍了最常用的四种微小电容检测方法,设计了基于交流激励的电容测量电路,分析了电路的工作原理,给出了实验结果;该电路的特点是动态测量范围宽,灵敏度高,可灵活应用于不同的应用场合。

关键词: 电容层析成像;微小电容;测量电路

一、几种微小电容测量方法

1、谐振法谐振法是在被测电容Cx(常常伴随有一漏电阻Rx)两端并联一个固定电感L,然后加一可变频率的电源。调整信号源频率,使电路发生谐振。谐振时,Cx呈现的容抗和L呈现的感抗相等,从而可求得Cx。这种方法具有抗电磁干扰能力、强便于信号传输、输出易于数字化及可获得高电平输出的优点。主要存在的问题是:输出非线性较大,需要进行线性化处理;由于闸门时间的限制,动态特性差,难于实现动态测量;工作频率较高,使得杂散电容的影响变得十分显著。

2、震荡法振荡法的原理是使振荡频率受Cx制约,测量Cx 的问题转化成了测量振荡频率。而频率的测量可以用计数器,也可以用F/V转换器实现。振荡法又分为RC和LC两种。一般说来,RC振荡法所构成的传感器对于小电容值的变化不灵敏,同时电路测量结果受杂散电容的干扰,稳定性差,故已很少用。LC振荡法构成的传感器测量频率范围宽,适用于测量动态电容,灵敏度也较高但电路相对复杂。

3、充放电法这种方法是利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的电容量变化而变化,通过低通滤波就能得到随被测信号变化的信号。该方法的主要优点为:获取数据速度快,能抗杂散电容,电路结构简单、成本低,经过软件补偿后电路稳定性较高。其缺点主要为:采用直流放大存在漂移问题,存在COMS开关引起的电荷注入问题。

4、交流电桥法在较低工作频率下最常采用电桥电路即AC桥路法实现电容变化的精确测量。这种方法是把被测电容(可有漏导) 放在一个桥臂,可调的参考阻抗放在相邻的另一个桥臂,二桥臂分别接到频率相同、电压相同的两个信号源上。调节参考阻抗使桥路平衡,则被测桥臂中的阻抗与参考阻抗共轭相等。该方法的主要优点为:选用器件少,电路简单,易于小型化。其缺点主要为:由于远离平衡位置时非线性较大,输出阻抗很高,输出电压很小。

二、测量电路系统设计

1、微电容测量电路设计要求

在ECT电容测量中,电容传感器内充以两相介质时,两电极间互电容的变化量是流体相含率及其空间分布的函数 ,而相含率变化所引起的互电容变化量一般为0.1～1.0皮法(pf)左右,且不同的电极对之间的电容量相差很大,相邻电极对间的电容比相对电极对间的电容要大数百倍,同时杂散电容远远大于待测电容,因此应用于ECT 的电容检测电路应当具有以下特点[1]:(1)低漂移、能抑制杂散电容、消除损耗电导的影响;(2)高分辨率,最小可分辨信号 0. 1fF;(3)线性度好,非线性误差≤10-5;(4)高信噪比, 信噪比≥100dB;(5)测量范围足够宽, 0. 1pF～1.0pF。

2、基于交流激励的微电容测量电路

如图1[2]所示正弦波Vi (t)作为激励源加到被测电容Cx,产生交流输入电流。由电容Cf、电阻Rf 和运放组成的放大器将该交流电流转变为交流电压,其中,反馈电阻Rf的作用是防止运放输出漂移以致饱和。输出交流电压的幅值为:

其中为正弦激励信号源的角频率。如选Rf值很大,使得1,则:试(1)变为:

因此, 交流电路产生一个幅值与被测电容成比例的交流信号。

3、系统总体设计

电容成像系统的测量电路包含数字器件和模拟器件的微弱电容信号测量电路,在实际电路设计中不仅需要考虑克服分布电容的影响,还要尽量减少数字电路对模拟电路的高频干扰。因此在设计中采用了模块化设计方法,把每个测量电路模块独立开,模块之间用数字总线连接。并由计算机对测量过程进行控制和数据采集。其系统框图如图3所示。

实际上,最终输出值包括传感器的本体电容和被测电容。为了使转换电路的最后输出量直接反映实际的被测电容的变化量,平衡掉本体电容,可以在计算机控制差分放大采用直流补偿DAC的方法。

该电路具有较强抗干扰能力,稳定性好和较小的漂移。因此ECT系统可对封闭的工业过程管道、容器、搅拌器等的内部多相流物场运动状态实现二维/三维可视化实时监视。现在已经在油管中的汽/油成像,液化床成像和燃烧室内火焰成像中得到了广泛的应用。是一种可行的、具有通用性的系统。

参考文献:

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[2] 赵创进. 电容层析成像技术及在两相流可视化监视中的应用[D].沈阳:东北大学博士论文,2001

[3] 徐志伟,冯百明,李伟。网格计算技术。电子工业出版社。2004

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