微小電容檢測方法及電路設計淺析

摘要: 電容層析成像技術(electrical capac-itance tomography， ECT)是多相流參數檢測中的一種新技術， 可提供封閉管道及容器中內部的可視化信息， 具有結構簡單， 采用非侵入式， 響應速度快等特點。其中電容的測量是該技術的關鍵部分，ECT 中的電容測量屬于弱電容測量， 且要求分辨率高、數據采集速率快， 這使得許多常用的電容測量方法不能適用。本文介紹了最常用的四種微小電容檢測方法，設計了基于交流激勵的電容測量電路，分析了電路的工作原理，給出了實驗結果;該電路的特點是動態測量范圍寬，靈敏度高，可靈活應用于不同的應用場合。

關鍵詞: 電容層析成像;微小電容;測量電路

一、幾種微小電容測量方法

1、諧振法諧振法是在被測電容Cx(常常伴隨有一漏電阻Rx)兩端并聯一個固定電感L，然后加一可變頻率的電源。調整信號源頻率，使電路發生諧振。諧振時，Cx呈現的容抗和L呈現的感抗相等，從而可求得Cx。這種方法具有抗電磁干擾能力、強便于信號傳輸、輸出易于數字化及可獲得高電平輸出的優點。主要存在的問題是:輸出非線性較大，需要進行線性化處理;由于閘門時間的限制，動態特性差，難于實現動態測量;工作頻率較高，使得雜散電容的影響變得十分顯著。

2、震蕩法振蕩法的原理是使振蕩頻率受Cx制約，測量Cx 的問題轉化成了測量振蕩頻率。而頻率的測量可以用計數器，也可以用F/V轉換器實現。振蕩法又分為RC和LC兩種。一般說來，RC振蕩法所構成的傳感器對于小電容值的變化不靈敏，同時電路測量結果受雜散電容的干擾，穩定性差，故已很少用。LC振蕩法構成的傳感器測量頻率范圍寬，適用于測量動態電容，靈敏度也較高但電路相對復雜。

3、充放電法這種方法是利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨電容傳感器的電容量變化而變化，通過低通濾波就能得到隨被測信號變化的信號。該方法的主要優點為:獲取數據速度快，能抗雜散電容，電路結構簡單、成本低，經過軟件補償后電路穩定性較高。其缺點主要為:采用直流放大存在漂移問題，存在COMS開關引起的電荷注入問題。

4、交流電橋法在較低工作頻率下最常采用電橋電路即AC橋路法實現電容變化的精確測量。這種方法是把被測電容(可有漏導) 放在一個橋臂，可調的參考阻抗放在相鄰的另一個橋臂，二橋臂分別接到頻率相同、電壓相同的兩個信號源上。調節參考阻抗使橋路平衡，則被測橋臂中的阻抗與參考阻抗共軛相等。該方法的主要優點為:選用器件少，電路簡單，易于小型化。其缺點主要為:由于遠離平衡位置時非線性較大，輸出阻抗很高，輸出電壓很小。

二、測量電路系統設計

1、微電容測量電路設計要求

在ECT電容測量中，電容傳感器內充以兩相介質時，兩電極間互電容的變化量是流體相含率及其空間分布的函數 ，而相含率變化所引起的互電容變化量一般為0.1～1.0皮法(pf)左右，且不同的電極對之間的電容量相差很大，相鄰電極對間的電容比相對電極對間的電容要大數百倍，同時雜散電容遠遠大于待測電容，因此應用于ECT 的電容檢測電路應當具有以下特點[1]:(1)低漂移、能抑制雜散電容、消除損耗電導的影響;(2)高分辨率，最小可分辨信號 0. 1fF;(3)線性度好，非線性誤差≤10-5;(4)高信噪比， 信噪比≥100dB;(5)測量范圍足夠寬， 0. 1pF～1.0pF。

2、基于交流激勵的微電容測量電路

如圖1[2]所示正弦波Vi (t)作為激勵源加到被測電容Cx，產生交流輸入電流。由電容Cf、電阻Rf 和運放組成的放大器將該交流電流轉變為交流電壓，其中，反饋電阻Rf的作用是防止運放輸出漂移以致飽和。輸出交流電壓的幅值為:

其中為正弦激勵信號源的角頻率。如選Rf值很大，使得1，則:試(1)變為:

因此， 交流電路產生一個幅值與被測電容成比例的交流信號。

3、系統總體設計

電容成像系統的測量電路包含數字器件和模擬器件的微弱電容信號測量電路，在實際電路設計中不僅需要考慮克服分布電容的影響，還要盡量減少數字電路對模擬電路的高頻干擾。因此在設計中采用了模塊化設計方法，把每個測量電路模塊獨立開，模塊之間用數字總線連接。并由計算機對測量過程進行控制和數據采集。其系統框圖如圖3所示。

實際上，最終輸出值包括傳感器的本體電容和被測電容。為了使轉換電路的最后輸出量直接反映實際的被測電容的變化量，平衡掉本體電容，可以在計算機控制差分放大采用直流補償DAC的方法。

該電路具有較強抗干擾能力，穩定性好和較小的漂移。因此ECT系統可對封閉的工業過程管道、容器、攪拌器等的內部多相流物場運動狀態實現二維/三維可視化實時監視。現在已經在油管中的汽/油成像，液化床成像和燃燒室內火焰成像中得到了廣泛的應用。是一種可行的、具有通用性的系統。

參考文獻:

[1] Yang W Q.Hardware Design of Electrical Capacitance Tomography Systems， Meas Sci Technol， 1996， 7(3): 225-232

[2] 趙創進. 電容層析成像技術及在兩相流可視化監視中的應用[D].沈陽:東北大學博士論文，2001

[3] 徐志偉，馮百明，李偉。網格計算技術。電子工業出版社。2004

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[5] 肖化，胡廣莉，何惠玲，保宗悌。電容層析技術中BP網格圖象重建研究。中國圖象圖形學報，1997，2(11):817-821