本發(fā)明涉及一種電容測量電路，尤其是涉及一種用于電容層析成像系統(tǒng)的電容測量電路。

背景技術(shù)：

隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展, 對廣泛存在于工業(yè)過程中的兩相流(多相流)體系的認(rèn)知在科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域顯得越來越重要。對于多相流的研究已經(jīng)成為一個(gè)新興的前沿學(xué)科。電容層析成像, 即ECT( Electrical Capacitance Tomography ) 是20世紀(jì)80年代末90 年代初提出的一種新的過程成像技術(shù)。

ECT 系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和成像系統(tǒng)3部分組成。其基本原理是在流體流動(dòng)管道沿管道外側(cè)均勻地粘貼若干電容極板, 任意2個(gè)極板均可組成1個(gè)兩端子電容。管道內(nèi)兩相流動(dòng)介質(zhì)的不同相分布會引起電容極板間介電常數(shù)變化, 從而改變電容值的大小。各對極板間的電容值包含了與相分布有關(guān)的信息, 通過測量不同極板組合間的電容值并將送入計(jì)算機(jī)按一定的算法進(jìn)行圖像重建, 就可以得到管道截面上的相分布圖像。由于ECT傳感器的被測電容值一般在0. 01pF~ 1 pF之間, 屬于微弱電容的檢測, 因而成為ECT系統(tǒng)中最關(guān)鍵、也是最難以解決的問題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

ETC傳感器的被測電容為微弱電容，測量時(shí)測量的分辨率易受電子開關(guān)的電荷注入效應(yīng)影響，為了解決上述問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種交流激勵(lì)的微電容測量電路。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

用于電容層析成像系統(tǒng)的電容測量電路主要包括正弦激勵(lì)信號、交流放大電路、解調(diào)及低通濾波電路、PCI1712數(shù)據(jù)采集卡、交流激勵(lì)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路等。由于只有被測電容的變化量才能對圖像重建有貢獻(xiàn), 而被測電容值較小, 需經(jīng)過交流測量電路后進(jìn)一步放大, 然后采用模擬乘法器對其進(jìn)行解調(diào), 得出與電容成正比的直流電壓信號, 再經(jīng)低通濾波器濾除乘法解調(diào)器輸出的高頻分量。

所述的正弦激勵(lì)信號采用AD7008芯片產(chǎn)生正弦信號。

所述的檢測器和交流放大器以及低通濾波器均選用高精度運(yùn)放LA741。

所述的相敏解調(diào)選用模擬乘法器MPY634。

所述的數(shù)據(jù)采集部分選用研華公司的高速數(shù)據(jù)采集卡PCI1712，簡化電路并且可提高數(shù)據(jù)采集的速度。

所述的交流激勵(lì)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路采用的是帶負(fù)反饋回路的C/V轉(zhuǎn)換電路，其抗雜散性、分辨率可高達(dá)0.04fF。

本發(fā)明的有益效果是：

用于電容層析成像系統(tǒng)的電容測量電路抗寄生電容能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，較好地解決了電子開關(guān)的電荷注入效應(yīng)對測量分辨率的影響問題。實(shí)驗(yàn)表明:本電路電容測量的分辨率可達(dá)5. 5*104pF。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的交流激勵(lì)電容測量電路整體示意圖。

圖2是本發(fā)明的交流激勵(lì)電容/電壓轉(zhuǎn)換原理圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，用于電容層析成像系統(tǒng)的電容測量電路主要包括正弦激勵(lì)信號、交流放大電路、解調(diào)及低通濾波電路、PCI1712數(shù)據(jù)采集卡、交流激勵(lì)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路等。正弦激勵(lì)信號頻率ω對系統(tǒng)精度也有著重要的影響，ω越高越有利于提高系統(tǒng)精度，但由于激勵(lì)信號源有內(nèi)阻，信號頻率不能無限大, 存在一個(gè)極限頻率，當(dāng)大于這一頻率時(shí)雜散電容會因充電不滿而將電源電壓拉低，使測量結(jié)果不準(zhǔn)確。若ωR_fC_f﹤1，選用電阻反饋方式會縮短放大器的過渡時(shí)間，但是輸出比較容易受激勵(lì)源頻率變化的影響，輸出信號與激勵(lì)信號相比有一個(gè)90b的相移，這給解調(diào)信號的相位調(diào)節(jié)帶來一些困難。若ωR_fC_f＞1，選用電容反饋方式，這時(shí)輸出電壓與反饋電阻和激勵(lì)頻率無關(guān)，主要是取決于被測電容C_x與反饋電容C_f的比值，但是放大器的過渡時(shí)間增加。

如圖2所示，C/V轉(zhuǎn)換電路中正弦信號V_S(t)對被測電容進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)電流流經(jīng)有反饋電阻R_f、反饋電容C_f和寬帶運(yùn)放組成的檢測器D轉(zhuǎn)換成交流電壓V₀(t)。流經(jīng)C_S1的電流不會流過被測電容C_x，所以不會對測量結(jié)果造成影響。而C_S2接在運(yùn)算放大器的正負(fù)輸入端，在使用開環(huán)增益為無窮大的理想運(yùn)算放大器的時(shí)候,由于C_S2兩端電位為零，沒有電流流過，因此不會影響測量結(jié)果。然而，使用開環(huán)增益有限的實(shí)際運(yùn)算放大器的情況下，由于運(yùn)算放大器正負(fù)輸入端之間電壓差不為零，因此會有電流流過C_S2，但是分布電容C_S2對測量電路輸出電壓幅度的影響與C_x相比少了幾十萬倍，所以可以忽略不計(jì)。C/V轉(zhuǎn)換電路是一個(gè)低通電路，由C_f及R_f組成的反饋?zhàn)杩箾Q定了該電路的響應(yīng)速度和帶寬，這個(gè)低通濾波電路的帶寬對測量速度有著重要的影響。