摘要: 電容層析成像技術(shù)(electrical capac-itance tomography， ECT)是多相流參數(shù)檢測(cè)中的一種新技術(shù)， 可提供封閉管道及容器中內(nèi)部的可視化信息， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 采用非侵入式， 響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。其中電容的測(cè)量是該技術(shù)的關(guān)鍵部分，ECT 中的電容測(cè)量屬于弱電容測(cè)量， 且要求分辨率高、數(shù)據(jù)采集速率快， 這使得許多常用的電容測(cè)量方法不能適用。本文介紹了最常用的四種微小電容檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了基于交流激勵(lì)的電容測(cè)量電路，分析了電路的工作原理，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果;該電路的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍寬，靈敏度高，可靈活應(yīng)用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞: 電容層析成像;微小電容;測(cè)量電路

一、幾種微小電容測(cè)量方法

1、諧振法諧振法是在被測(cè)電容Cx(常常伴隨有一漏電阻Rx)兩端并聯(lián)一個(gè)固定電感L，然后加一可變頻率的電源。調(diào)整信號(hào)源頻率，使電路發(fā)生諧振。諧振時(shí)，Cx呈現(xiàn)的容抗和L呈現(xiàn)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(qiáng)便于信號(hào)傳輸、輸出易于數(shù)字化及可獲得高電平輸出的優(yōu)點(diǎn)。主要存在的問題是:輸出非線性較大，需要進(jìn)行線性化處理;由于閘門時(shí)間的限制，動(dòng)態(tài)特性差，難于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)量Cx 的問題轉(zhuǎn)化成了測(cè)量振蕩頻率。而頻率的測(cè)量可以用計(jì)數(shù)器，也可以用F/V轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。振蕩法又分為RC和LC兩種。一般說來，RC振蕩法所構(gòu)成的傳感器對(duì)于小電容值的變化不靈敏，同時(shí)電路測(cè)量結(jié)果受雜散電容的干擾，穩(wěn)定性差，故已很少用。LC振蕩法構(gòu)成的傳感器測(cè)量頻率范圍寬，適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)電容，靈敏度也較高但電路相對(duì)復(fù)雜。

3、充放電法這種方法是利用對(duì)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(cè)信號(hào)變化的信號(hào)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)為:獲取數(shù)據(jù)速度快，能抗雜散電容，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，經(jīng)過軟件補(bǔ)償后電路穩(wěn)定性較高。其缺點(diǎn)主要為:采用直流放大存在漂移問題，存在COMS開關(guān)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(shí)現(xiàn)電容變化的精確測(cè)量。這種方法是把被測(cè)電容(可有漏導(dǎo)) 放在一個(gè)橋臂，可調(diào)的參考阻抗放在相鄰的另一個(gè)橋臂，二橋臂分別接到頻率相同、電壓相同的兩個(gè)信號(hào)源上。調(diào)節(jié)參考阻抗使橋路平衡，則被測(cè)橋臂中的阻抗與參考阻抗共軛相等。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)為:選用器件少，電路簡(jiǎn)單，易于小型化。其缺點(diǎn)主要為:由于遠(yuǎn)離平衡位置時(shí)非線性較大，輸出阻抗很高，輸出電壓很小。

二、測(cè)量電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、微電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)要求

在ECT電容測(cè)量中，電容傳感器內(nèi)充以兩相介質(zhì)時(shí)，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(shù) ，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(duì)之間的電容量相差很大，相鄰電極對(duì)間的電容比相對(duì)電極對(duì)間的電容要大數(shù)百倍，同時(shí)雜散電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于待測(cè)電容，因此應(yīng)用于ECT 的電容檢測(cè)電路應(yīng)當(dāng)具有以下特點(diǎn)[1]:(1)低漂移、能抑制雜散電容、消除損耗電導(dǎo)的影響;(2)高分辨率，最小可分辨信號(hào) 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(cè)量范圍足夠?qū)挘?0. 1pF～1.0pF。

2、基于交流激勵(lì)的微電容測(cè)量電路

如圖1[2]所示正弦波Vi (t)作為激勵(lì)源加到被測(cè)電容Cx，產(chǎn)生交流輸入電流。由電容Cf、電阻Rf 和運(yùn)放組成的放大器將該交流電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，其中，反饋電阻Rf的作用是防止運(yùn)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(lì)信號(hào)源的角頻率。如選Rf值很大，使得1，則:試(1)變?yōu)?

因此， 交流電路產(chǎn)生一個(gè)幅值與被測(cè)電容成比例的交流信號(hào)。

3、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電容成像系統(tǒng)的測(cè)量電路包含數(shù)字器件和模擬器件的微弱電容信號(hào)測(cè)量電路，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中不僅需要考慮克服分布電容的影響，還要盡量減少數(shù)字電路對(duì)模擬電路的高頻干擾。因此在設(shè)計(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，把每個(gè)測(cè)量電路模塊獨(dú)立開，模塊之間用數(shù)字總線連接。并由計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

實(shí)際上，最終輸出值包括傳感器的本體電容和被測(cè)電容。為了使轉(zhuǎn)換電路的最后輸出量直接反映實(shí)際的被測(cè)電容的變化量，平衡掉本體電容，可以在計(jì)算機(jī)控制差分放大采用直流補(bǔ)償DAC的方法。

該電路具有較強(qiáng)抗干擾能力，穩(wěn)定性好和較小的漂移。因此ECT系統(tǒng)可對(duì)封閉的工業(yè)過程管道、容器、攪拌器等的內(nèi)部多相流物場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)二維/三維可視化實(shí)時(shí)監(jiān)視?，F(xiàn)在已經(jīng)在油管中的汽/油成像，液化床成像和燃燒室內(nèi)火焰成像中得到了廣泛的應(yīng)用。是一種可行的、具有通用性的系統(tǒng)。

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