專利名稱：數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測量電變量，尤其涉及一種數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器。
目前的電容層析成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其不足之處電容層析成像(ElectricalCapacitance Tomography，簡記ECT)技術(shù)是從80年代中期開始發(fā)展起來的一種多相流參數(shù)檢測技術(shù)。其工作原理如

圖1所示。它通過電容傳感獲得管截面上介質(zhì)的介電常數(shù)分布而獲得介質(zhì)分布的圖像。它主要由電容傳感器、電容數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像重建微機(jī)三大部分組成。傳感器有均勻分布在絕緣管道外壁上的多個(一般為12)電極構(gòu)成，這些電極間可形成電容，當(dāng)管道內(nèi)多相介質(zhì)的空間分布發(fā)生變化時，這些電容也會發(fā)生變化；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則將這些電容轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳送給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)則依據(jù)一定的圖像重建算法完成圖像重建工作。
適合應(yīng)用于電容層析成像技術(shù)的電容測量方法主要有電荷轉(zhuǎn)移法和交流法兩種。這兩種電路從本質(zhì)上講都是對電容進(jìn)行連續(xù)的充放電，充放電形成的電流的大小代表了電容大小。而該充放電形成的電流是脈動的，因而必須加以濾波。而濾波器的時間常數(shù)大，則濾波效果好，但電容測量時間長。反之，電容測量時間短，但噪聲大。時間常數(shù)的選擇往往處于矛盾中。數(shù)據(jù)采集速度最快為100幅/秒。
本實(shí)用新型的目的是提供一種高速度、低噪聲的數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取下列措施數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器的電路為被測電容Cx一端接激勵信號源Vi一端接運(yùn)放U1的反相輸入端。電容Cf與電子開關(guān)S1并聯(lián)后一端接運(yùn)放U1的反相輸入端一端接該運(yùn)放的輸出。運(yùn)放U1的同相端接地。電容C1和C2的一端接地，另一端分別于電子開關(guān)S2、S3的一端相連后分別連至緩沖器U2、U3的輸入端。電子開關(guān)S2、S3的另一端與運(yùn)放U1的輸出相連。緩沖器U2、U3的輸出分別連至儀表放大器U4的正和負(fù)輸入端，儀表放大器的輸出為測量電路的輸出。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1)高速度。該電路中得到最后的輸出電壓所須時間主要是對被測電容的充放電過程中運(yùn)放的穩(wěn)定時間，總共約10μS。速度遠(yuǎn)高于電荷轉(zhuǎn)移法和交流法的電容測量電路；
2)低噪聲。電路中測量結(jié)束后電壓送出時，該電壓上并無原理性的噪聲，此時輸出不需要濾波器。而基于電荷轉(zhuǎn)移原理和交流法的電容測量電路中都存在原理性的噪聲，需要濾波器來濾波后才能進(jìn)行后續(xù)的電壓測量工作。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作詳細(xì)說明。
圖1是電容層析成像系統(tǒng)示意圖；圖2是電容數(shù)據(jù)采集傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器的方框電原理圖；圖4是數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器的電原理圖；圖5是電容測量電路的時序示意圖。
圖2中電容數(shù)據(jù)采集傳感器包括絕緣管道2，在絕緣管道外壁上均勻分布多個敏感電極3，敏感電極外設(shè)有屏蔽罩4，在屏蔽罩內(nèi)壁與多個敏感電極間隔之間設(shè)有徑向電極1，其特征在于在徑向電極上固定有長條數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器電路板5，并通過排線連接。
圖3中由傳感器外部的測量板傳來的控制信號和由撥號開關(guān)設(shè)置的模塊地址連接到譯碼器，譯碼器的輸出連接到控制激勵信號源和電容/電壓轉(zhuǎn)換器，傳感電極連接到控制激勵信號源和電容電壓轉(zhuǎn)換器。電容/電壓轉(zhuǎn)換器的輸出經(jīng)譯碼器控制的電子開關(guān)送出。
圖4中被測電容Cx一端接激勵信號源Vi一端接運(yùn)放U1的反相輸入端。電容Cf與電子開關(guān)S1并聯(lián)后一端接運(yùn)放U1的反相輸入端一端接該運(yùn)放的輸出。運(yùn)放U1的同相端接地。電容C1和C2的一端接地，另一端分別于電子開關(guān)S2、S3的一端相連后分別連至緩沖器U2、U3的輸入端。電子開關(guān)S2、S3的另一端與運(yùn)放U1的輸出相連。緩沖器U2、U3的輸出分別連至儀表放大器U4的正和負(fù)輸入端，儀表放大器的輸出為測量電路的輸出。
Cx為被測電容，Cas、Cbs為電容的兩電極與地間形成的電容。S1、S2、S3為電子開關(guān)。U1為高輸入電阻的運(yùn)算放大器(如TL081)，U2、U3為運(yùn)放構(gòu)成的緩沖器，其輸入輸出放大倍數(shù)為1。U4為儀表放大器(如AD620)。Vi為激勵信號源，它只輸出高低兩個電平。U1、Cf、S1構(gòu)成電荷放大器。S2、U2和S3、U3分別構(gòu)成采樣保持器(S/H)。開始工作時，Vi為高電平，S1閉合，采樣保持器都處于跟隨狀態(tài)。由于S1閉合，U1輸出為0V。在t＝ti時刻，S1斷開，在理想情況下，U1輸出仍保持為0V不變，但由于電荷注入效應(yīng)，Cr上存有電荷，使得U1的輸出V1降低(有的電子開關(guān)也可能使其升高)，設(shè)該電壓為VL。在t2時刻，U1輸出已穩(wěn)定，并且V2已跟隨上了V1的變化，S3斷開，將電壓VL保持在U2的輸出端。隨后在t3時刻，激勵電壓降低，該電壓對被測電容充電，注入電荷量為Q＝ΔVi*Cx該電荷流經(jīng)運(yùn)放的虛地端后存儲在Cf上，此時U1的輸出為VH＝VL-Q/Cf該電壓在t4時刻被保持于V3端，則儀表放大器U4的輸出為V4＝VH-VL＝-ΔVi*Cx/Cf即，其輸出電壓與Cx成正比。
被測電容Cx的兩電極與地之間也會分別形成雜散電容Cas和Cbs，，檢測電路應(yīng)能夠抑制它們的存在對測量結(jié)果的影響。電容Cas與激勵源Vi相連，它的存在不會影響通過被測電容的電流。Cbs的兩端處于虛短路狀態(tài)。其存在也不會對輸出產(chǎn)生影響。
權(quán)利要求1.一種數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于它的電路為被測電容Cx一端接激勵信號源Vi一端接運(yùn)放U1的反相輸入端，電容Cf與電子開關(guān)S1并聯(lián)后一端接運(yùn)放U1的反相輸入端一端接該運(yùn)放的輸出，運(yùn)放U1的同相端接地，電容C1和C2的一端接地，另一端分別于電子開關(guān)S2、S3的一端相連后分別連至緩沖器U2、U3的輸入端，電子開關(guān)S2、S3的另一端與運(yùn)放U1的輸出相連，緩沖器U2、U3的輸出分別連至儀表放大器U4的正和負(fù)輸入端，儀表放大器的輸出為測量電路的輸出。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器。它的電路為:被測電容C
文檔編號G01R27/26GK2503493SQ01220418
公開日2002年7月31日 申請日期2001年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月29日
發(fā)明者王保良, 黃志堯, 李海青 申請人:浙江大學(xué)