趙進(jìn)創(chuàng)， 王　祎， 傅文利， 鄒星星

(廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530004)

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基于大尺度傳感器的電容測(cè)量電路抗干擾方法*

趙進(jìn)創(chuàng)， 王祎， 傅文利， 鄒星星

(廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530004)

為了抑制基于大尺度傳感器的電容層析成像(ECT)系統(tǒng)的電容測(cè)量電路中的較強(qiáng)測(cè)量干擾，在分析了測(cè)量電路中單屏蔽同軸電纜和模擬開(kāi)關(guān)雜散電容測(cè)量干擾產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了能抗雜散電容的基于等電位驅(qū)動(dòng)電纜內(nèi)屏蔽技術(shù)和雙T型模擬開(kāi)關(guān)陣列的大尺度傳感器電容層析成像系統(tǒng)測(cè)量電路，同時(shí)，為了提高測(cè)量電路輸出信噪比，在測(cè)量過(guò)程中采用雙極板激勵(lì)策略增強(qiáng)大尺度傳感器內(nèi)敏感場(chǎng)強(qiáng)度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，采用該抗干擾方法的電容測(cè)量電路的輸出信噪比為56.8 dB，10 h內(nèi)測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差為0.132 fF。可見(jiàn)，該電路抗雜散電容干擾能力較強(qiáng)，輸出信噪比較高，穩(wěn)定性較好。

電容層析成像； 大尺度傳感器； 雜散電容； 等電位驅(qū)動(dòng)； 雙T型模擬開(kāi)關(guān)陣列； 雙極板激勵(lì)

0　引　言

電容層析成像(electrical capacitance tomography,ECT)技術(shù)是一種可對(duì)封閉管道或容器內(nèi)的多相流進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)的技術(shù)，其因具有非侵入、成本低、耐高溫和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程可視化監(jiān)測(cè)。目前，大部分工業(yè)ECT系統(tǒng)均基于小尺度傳感器(直徑為5～20 cm)來(lái)設(shè)計(jì)，而對(duì)于大尺度容器，如煮糖罐(直徑為1～3 m)，現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法對(duì)其內(nèi)部蔗糖晶體溶液進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)，因此，有必要設(shè)計(jì)基于大尺度傳感器的ECT系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)基于大尺度傳感器的ECT系統(tǒng)時(shí)，抑制雜散電容對(duì)電容測(cè)量電路的干擾是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。由于設(shè)計(jì)并制作的ECT傳感器尺度較大(直徑為2 m)，導(dǎo)致連接傳感器極板和電容測(cè)量電路的同軸電纜較長(zhǎng)(一般為4 m左右)，寄生的雜散電容較大(100 pF/m[1])，電容測(cè)量電路受到較強(qiáng)干擾；另一方面，由于控制傳感器極板工作狀態(tài)的模擬開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)存在雜散電容(即關(guān)斷電容)，測(cè)量電路的精度也受到了影響，因此，有必要對(duì)基于大尺度傳感器的電容測(cè)量電路的抗干擾硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1　電容測(cè)量電路中的干擾產(chǎn)生機(jī)理

1.1單屏蔽同軸電纜的雜散電容測(cè)量干擾

在ECT系統(tǒng)中，連接傳感器極板和測(cè)量電路的單屏蔽同軸電纜的屏蔽層接地，芯線與屏蔽層之間存在電位差，導(dǎo)致兩者之間存在等效雜散電容。由于大尺度傳感器ECT系統(tǒng)的同軸電纜較長(zhǎng)，導(dǎo)致雜散電容較大，等效雜散電容Cs如圖1(a)所示。由圖1(a)可知，受雜散電容Cs分流作用的影響，實(shí)際流入電容測(cè)量電路的電流I1小于待測(cè)電容Cx的檢測(cè)電流I，同時(shí)，由于雜散電容Cs受外界因素影響(如電纜的晃動(dòng))存在隨機(jī)波動(dòng)，導(dǎo)致電流I1波動(dòng)較大。因此，系統(tǒng)測(cè)量受到了同軸電纜雜散電容的干擾。

1.2模擬開(kāi)關(guān)的雜散電容測(cè)量干擾

在ECT系統(tǒng)中，模擬開(kāi)關(guān)通過(guò)聯(lián)通和斷開(kāi)信號(hào)路徑來(lái)對(duì)極板工作狀態(tài)進(jìn)行選擇，因此，選用的開(kāi)關(guān)須具備良好的信號(hào)阻隔能力。然而，由于普遍采用的單模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)存在雜散電容Coff(如圖1(b)所示)，一部分激勵(lì)電流Ie1,Ie2通過(guò)該電容流入電容測(cè)量電路，導(dǎo)致電容測(cè)量電路實(shí)際檢測(cè)到的電容是待測(cè)電容Cx與雜散電容Coff1,Coff2的并聯(lián)值，因此，系統(tǒng)測(cè)量受到了模擬開(kāi)關(guān)雜散電容的干擾。

圖1　雜散電容測(cè)量干擾的產(chǎn)生Fig 1　Generation of stray capacitance measuring interference

1.3大尺度傳感器的噪聲干擾

在設(shè)計(jì)直徑為2 m的大尺度傳感器的過(guò)程中，在考慮了邊緣效應(yīng)[2]的情況下，選擇長(zhǎng)為80 cm、寬為30 cm的銅制極板作為傳感器極板，極板外圍采用徑向接地屏蔽層消除傳感器外極間電容，采用軸向屏蔽層來(lái)消除外界電磁干擾。

在采用單極板激勵(lì)策略的條件下，該大尺度傳感器和直徑為20 cm的小尺度傳感器內(nèi)的不同位置(如圖2(a)所示)的敏感場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比如圖2(b)所示。

圖2　大尺度傳感器敏感場(chǎng)特性Fig 2　Characteristic of sensitive field in large-scale sensor

由圖2(b)可知，對(duì)于大尺度傳感器而言，傳統(tǒng)的單極板激勵(lì)策略會(huì)導(dǎo)致傳感器中心區(qū)域敏感場(chǎng)強(qiáng)度大幅下降。敏感場(chǎng)強(qiáng)度的下降會(huì)導(dǎo)致輸出測(cè)量信號(hào)幅度減小，從而使得測(cè)量電路輸出信噪比降低。

2　抗電容測(cè)量電路中干擾的方法

2.1同軸電纜雜散電容測(cè)量干擾的抑制

通過(guò)對(duì)單屏蔽同軸電纜雜散電容測(cè)量干擾產(chǎn)生機(jī)理的分析，采用等電位驅(qū)動(dòng)電纜內(nèi)屏蔽技術(shù)抑制其干擾。如圖3所示，該技術(shù)采用雙屏蔽同軸電纜和等電位電纜驅(qū)動(dòng)電路。在輸入電流I3近似為0 A的情況下,等電位電纜驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)重建芯線電壓波形并將其作用于雙屏蔽同軸電纜的內(nèi)屏蔽層，確保內(nèi)屏蔽層與芯線電位相等，從而從根本上抑制雜散電容干擾。同時(shí)，電纜外屏蔽層接地，抑制外界電磁干擾。

圖3　等電位驅(qū)動(dòng)電纜屏蔽層技術(shù)Fig 3　Equipotential drive cable technologies

等電位電纜驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。由圖可知，該電路前級(jí)為采用OPA627構(gòu)成的電壓跟隨器。由于該運(yùn)放輸入電阻較大，因此可以認(rèn)為輸入電流I3近似為0。電路的后級(jí)為采用OPA627構(gòu)成的電壓微調(diào)電路。電阻R3用來(lái)防止電纜驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生自激。

圖4　等電位電纜驅(qū)動(dòng)電路Fig 4　Equipotential cable drive circuit

2.2模擬開(kāi)關(guān)雜散電容測(cè)量干擾的抑制

為了抑制模擬開(kāi)關(guān)的雜散電容干擾，采用如圖5(a)所示的T型開(kāi)關(guān)布局[3]。通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)K3，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K1,K2，T型開(kāi)關(guān)將流過(guò)雜散電容Coff3的干擾電流導(dǎo)入地，從而完全隔斷干擾電流。在T型開(kāi)關(guān)閉合和斷開(kāi)狀態(tài)下，各子開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)如表1所示。

在ECT系統(tǒng)中，每個(gè)極板需連接兩個(gè)開(kāi)關(guān)模塊。為確保測(cè)量電路不受干擾電流的影響，開(kāi)關(guān)模塊都應(yīng)選用T型開(kāi)關(guān)，這就構(gòu)成了極板的雙T型開(kāi)關(guān)布局，如圖5(b)所示。

圖5　T型開(kāi)關(guān)Fig 5　T type switch

T型開(kāi)關(guān)狀態(tài)K1K2K3閉合閉合閉合斷開(kāi)斷開(kāi)斷開(kāi)斷開(kāi)閉合

2.3大尺度傳感器內(nèi)噪聲干擾的抑制

為了提高大尺度傳感器中心區(qū)域敏感場(chǎng)強(qiáng)度，采用雙極板激勵(lì)策略[4]。該策略利用相鄰兩極板作為激勵(lì)極板而其他極板作為檢測(cè)極板，其一組數(shù)據(jù)所包含的電容個(gè)數(shù)為

M=N×(N-2)

(1)

式中N為傳感器極板個(gè)數(shù)。當(dāng)傳感器極板數(shù)為8時(shí)，每幀電容測(cè)量數(shù)為48。

在采用單極板和雙極板激勵(lì)策略的條件下，大尺度傳感器在不同位置(如圖2(a)所示)的敏感場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比如圖6所示。采用上述抗測(cè)量干擾方法的基于大尺度傳感器的ECT系統(tǒng)測(cè)量電路結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖6　不同激勵(lì)策略下的敏感場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比Fig 6　Comparison of strength of sensitive field with different excitation strategy

圖7　采用抗干擾方法的ECT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 7　Structure block diagram of ECT system using anti-interference method

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，采用表2所示的四種電容測(cè)量電路配置方案進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在激勵(lì)頻率為300 kHz，幅度為25 Vp-p，電纜長(zhǎng)度為3.9 m，傳感器極板數(shù)為8、直徑為2 m的實(shí)驗(yàn)條件[5]下，不同配置的測(cè)量電路在不同極板組合情況下的輸出信噪比[6](SNR)由如式(2)

(2)

表2　測(cè)量電路配置方案

圖8　不同配置方案下系統(tǒng)輸出信噪比Fig 8　SNR of system output with different configuration schemes

圖9　系統(tǒng)輸出波動(dòng)與時(shí)間的關(guān)系Fig 9　Relationship between system output fluctuation and time

在常溫下，對(duì)采用方案一配置的測(cè)量電路的輸出穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。在10 h內(nèi)每隔30 min對(duì)輸出值采樣一次，將采樣值和本體電容值比較。經(jīng)計(jì)算，采用方案一配置的測(cè)量電路在10 h內(nèi)的測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差為0.132 fF，即測(cè)量電路的輸出波動(dòng)較小[7]，可見(jiàn)，采用抗干擾方法的基于大尺度傳感器的ECT系統(tǒng)測(cè)量電路具有較好的穩(wěn)定性。

4　結(jié)　論

針對(duì)基于大尺度傳感器的ECT系統(tǒng)測(cè)量電路提出了一種抗干擾的方法。該方法采用等電位驅(qū)動(dòng)電纜內(nèi)屏蔽技術(shù)和雙T型模擬開(kāi)關(guān)抑制了雜散電容的較強(qiáng)測(cè)量干擾；采

用雙極板激勵(lì)策略抑制了大尺度傳感器引入的噪聲干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用該方法的電容測(cè)量電路的輸出信噪比為57 dB，10 h內(nèi)的測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差為0.132 fF，可見(jiàn)，該電路抗干擾能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性較好，具有較廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

[1]Yang Wuqiang.Hardware design of electrical capacitance tomography systems[J].Measurement Science & Technology,1996,7:225-232.

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Anti-interference method for capacitance measuring circuit based on large scale sensor*

ZHAO Jin-chuang, WANG Yi, FU Wen-li, ZOU Xing-xing

(School of Computer and Electronics Information, Guangxi University,Nanning 530004,China)

In order to suppress strong measuring interferences in measuring circuit of electrical capacitance tomography (ECT) system based on large-scale sensor,on the basis of analysis on stray capacitance interferences produced by single shield coaxial cables and analog switches,stray-immune measuring circuit using cable-driven technology and double-T-switch array is designed to suppress stray capacitance interferences.Meanwhile,in order to improve output signal-to-noise (SNR) ratio of the measuring circuit,2-electrode excitation strategy is employed to enhance the sensitivity in the sensor.Experimental results show that output SNR of the proposed measuring circuit is 56.8 dB and the standard deviation of the measured value in 10 h is 0.132 fF.The proposed measuring circuit has good stray-immune ability,high output SNR and good stability.

electrical capacitance tomography(ECT); large scale sensor; stray capacitance; equipotential drive; double-T-switch array; 2-electrode excitation

2015—11—20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61362025)

TP 216.1

B

1000—9787(2016)08—0024—03

趙進(jìn)創(chuàng)(1968-)，男，廣西南寧人，博士研究生，教授，主要研究方向?yàn)殡妼W(xué)成像技術(shù)、嵌入式技術(shù)。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0024—03