專利名稱：電容數(shù)據(jù)采集傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及測量電變量，尤其涉及一種電容數(shù)據(jù)采集傳感器。
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)字量并傳送給計算機；計算機則依據(jù)一定的圖像重建算法完成圖像重建工作。
在目前的系統(tǒng)中，傳感器內(nèi)無檢測電路，檢測電極通過屏蔽電纜的芯線連接至電容數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，屏蔽電纜的屏蔽層接地。在這種測量系統(tǒng)中，由于屏蔽電纜的芯線與屏蔽層間會形成電容，當屏蔽電纜發(fā)生移動時，該電容會發(fā)生變化。該電容的變化量雖然很小，但相對于本系統(tǒng)的被測電容來講仍然是相當大的。該系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用時若該電纜的位置發(fā)生移動會導致較大的測量誤差。這使得該系統(tǒng)難以應(yīng)用于實際的工業(yè)環(huán)境。此外，即使電纜的位置不發(fā)生移動，該電容的存在也會導致測量速度的降低。該電纜的存在是該系統(tǒng)難以工業(yè)實用化的主要障礙之一。
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。
本實用新型的目的是提供一種可抑制傳感器外部電纜移動對測量結(jié)果干擾、高速度、低噪聲的電容數(shù)據(jù)采集傳感器。
為了達到上述目的，本實用新型采取下列措施電容數(shù)據(jù)采集傳感器包括絕緣管道，在絕緣管道外壁上均勻分布多個敏感電極，敏感電極外設(shè)有屏蔽罩，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，其特征在于在徑向電極上固定有長條形數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器電路板，并通過排線連接。
本實用新型的優(yōu)點是1)減小了引線與地間形成的電容。將電容/電壓轉(zhuǎn)換電路置于屏蔽罩下，大大縮短了引線的長度。此外引線采用非屏蔽線相當于增大了引線與地間的距離，可進一步減小引線與地間形成的電容，從而可提高測量精度；2)外部引線的抗干擾能力大大增強。中外部排線上傳遞的是通道控制信號以及代表電容測量結(jié)果的電壓信號，移動它不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，從而使得系統(tǒng)的可靠性增；3)可以減小體積，并可簡化維修工作。將電容/電壓轉(zhuǎn)換電路置于屏蔽罩下，使得外部部分的電路大大簡化。此外由于各電容/電壓轉(zhuǎn)換電路相同，若某線路板損壞，則用后備板更換之即可。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作詳細說明。
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形數(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中長條形數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器電路板5的具體電路為被測電容Cx一端接激勵信號源Vi一端接運放U1的反相輸入端。電容Cf與電子開關(guān)S1并聯(lián)后一端接運放U1的反相輸入端一端接該運放的輸出。運放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為高輸入電阻的運算放大器(如TL081)，U2、U3為運放構(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＝t1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)，Cf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1.一種電容數(shù)據(jù)采集傳感器，它包括絕緣管道[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形數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器電路板[5]，并通過排線連接各電路板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電容數(shù)據(jù)采集傳感器，其特征在于所說的條形數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器電路板[5]的電路為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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電容數(shù)據(jù)采集傳感器，其特征在于所說的長條形數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器電路板[5]的具體電路為被測電容Cx一端接激勵信號源Vi一端接運放U1的反相輸入端，電容Cf與電子開關(guān)S1并聯(lián)后一端接運放U1的反相輸入端一端接該運放的輸出，運放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。
專利摘要本實用新型公開了一種電容數(shù)據(jù)采集傳感器。它包括絕緣管道,在絕緣管道外壁上均勻分布多個敏感電極,敏感電極外設(shè)有屏蔽罩,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,在徑向電極上固定有長條形數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器電路板,并通過排線連接。本實用新型減小了引線與地間形成的電容,可提高測量精度;外部引線的抗干擾能力增強,使得系統(tǒng)的可靠性提高;將電容/電壓轉(zhuǎn)換電路置于屏蔽罩下,使得外部部分的電路簡化,也可減小體積。
文檔編號G01R27/26GK2484572SQ01220419
公開日2002年4月3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