（检测技术与自动化装置专业论文）电容层析成像系统的研究.pdf

沈酣工业人学硕十学位论文 摘要 电容层析成像( e c t ) 技术是基于电容敏感原理的过程层析成像( p t ) 技术，具有 非辐射、非侵入、响应速度快、成本低廉和安全性能好等优点，已发展成为一门重要的 两相流参数检测技术。但e c t 技术发展至今还有一些不完善的地方，在系统设计以及 应用上尚存在不少问题和难点。本文针对e c t 系统硬件设计的关键技术迸行了深入的 研究，研制了一套e c t 系统实验装置，并实现了与成像计算机的联合调试。主要完成 的工作如下： ( 1 ) 对各类常用的p t 技术的基本原理和特点进行了比较，着重阐述了e c t 技 术的基本特点、工作原理和系统构成。 ( 2 )研制了一种抗杂散电容干扰、分辨率高、漂移低的交流型c v 转换电路， 实验证明该电路具有较好的性能，已成功应用于e c t 实验装置中。 ( 3 ) 分析了非理想条件下，杂散电容及其变化对c v 转换电路输出的影响，并 得出一点结论：相对于激励信号对c n 转换电路输出影响来说，杂散电容 及其变化的影响较小，几乎可以忽略不计。 ( 4 ) 设计了一套简化电路结构的极板开关控制阵列，使所有极板共用一个正弦激 励信号和一路c n 转换电路。它不但能与多种传感器接口，还可实现多种 测量方案。 ( 5 ) 分析了c m o s 模拟开关耦合电容对e c t 系统动态成像稳定性的影响，采用 了软件实时补偿法消除了这一影响。 ( 6 )研制开发了一套1 6 极板的e c t 系统实验装置。系统采用上、下位机并行工 作的方式，提高了系统的实时性。 ( 7 ) 实现了实验装置的上、下位机的联调，并进行了系统性能实验和各种流型的 成像实验。实验结果表明该装置完全可以满足实验室条件下的管道内电介质 分布在线实时检测的需要。 关键词：电容层析成像，电容传感器，电容，电压转换电路，数据采集系统 沈阳工业大学硕十学位论文 t h er e s e a r c ho ne l e c t r i c a lc a p a c i t a n c e t o m o g r a p h ys y s t e m a b s t r a c t e l e c t r i c a lc a p a c i t , a n c et o m o g r a p h y ( e c t ) i sak i n do fp r o c e s st o m o g r a p h y ( p t b a s e d o i lc a p a c i t a n c es e n s o r e c th a st h ea d v a n t a g eo f b e i n gn o n - i n t r u s i v e ，f a s ti nr e s p o n s e ，l o wi n c o s ta n ds a f e i th a sb e c o m eo n eo fi m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o r t w o - p h a s e f l o wp a r a m e t e r m e a s u r e m e n t b u tt h e r ea r es o m ep r o b l e m sa n dd i f f i c u l t i e si ne c td e s i g n s a n de c t a p p l i c a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o ng o e sd e e pi n t or e s e a r c ho fe c tk e yt e c h n i q u ei ni t sh a r d w a r e d e s i g n i n g , s u c ha sah i g h - s e n s i t i v ea c b a s e dc a p a c i t a n c em e a s u r i n gm e t h o d ，t h ed e s i g no f a r r a yo fs e n s i n ge l e c t r o d ea n d d a t aa c q u i r i n gs y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o na n d r e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fp ta r ec o m p a r e d t h eb a s i c p r i n c i p l e s y s t e m s l r l 】c t u r ga n dc l - m _ r a c t e r i s f i c so f e c t a 聪d i s c u s s e d ( 2 ) a na cb a s e dc nc o n v e r t i n gc i r c u i t i s d e v e l o p e d t h ec i r c u i th a s g o o d c h a r a c t e r i s t i c sa n di sa p p l i e di ne c t s y s t e m ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo f s t r a yc a p a c i t a n c ea r i di t sc h a n g eo nt h ec vc i r c u i ti sd i s c u s s e d , a n di tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ei n f l u e n c eo f s t r a yc a p a c i t a n c ea n di t sc h a n g ei s v e r y l i t t l ec o m p a r i n gt ot h a to f t h e e x c i t a t i s i g n a l ， ( 4 ) t h ea r c h i t e c t u r eo f a r m y o f s e n s i n g e l e c l r o d eh a sb e e n d e s i g n e dw h i c h c a ns u p p o r t u p t 01 6m e a s u r e m e n tc h a n n e l s ，i e ，i t 锄w o r kw i t he i t h e ra s i n g l ep l a n es e n s o r w i t h u p t o1 6 e l e c t r o d e s o r a t w i n - p i r a t es e n s o r , a v e l o c i t y p r o f i l e m a y b e m e a s u r e d b yc r o s sc o r r e l a t i o n b e c a u s ea n ye l e c t r o d eo re l e c t r o d ec o m b i n a t i o n sc a nb e p r o g r a m m e d f o re i t h e re x c i t a t i o n o rd e t e c t i o n , t h i s s y s t e m f a c i l i t a t e st h e i n v e s t i g a t i n go fd i f f e r e n tm e a s u r e m e n tp r o t o c o l s ，s u c ha st h eu s eo fc o m b i n e d e l e c t r o d e s ( 5 ) t h ee f f e c to fc m o ss w i t c hc o u p l i n gc a p a c i t a n c et ot h e s y s t e mi n s t a b i l i t yi s a 1 1 a l y z e d 越订c o m p e n s a t e db y as o f t w a r ea p p r o a c hi nr e a lt i m e 2 沈阳工业大学硕士学位沧文 ( 6 ) ( 7 ) a16 一e l e c t r o d ee c t s y s t e me x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sd e v e l o p e d t h el o wa n d u p p e rc o m p u t e r so f t h es y s t e mw o r ki nt h ep a r a l l e l ，w h i c he n h a n c e st h er e a l t i m e a b i l i t yo f t h es y s t e m e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sd e b u g g e di ns u c c e s s ，a n dt e s t i n ge x p e r i m e n t sf o r l o w e r - c o m p u t e r8 r ei m p l e m e n t e do nt h ee q u i p m e n t e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t i ss u i t a b l ef o rt h e a p p l i c a t i o no f t h e r e a l t i m ed e t e c t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y , e l e c t r i c a ls e n s o r ，c vc o n v e r t i n g c i r c u i t ，d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m 一3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地_ ：方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 邀。缒日期：立旦= ! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：巡铤导师签名：趣攀 日期： , i 0 0 5 、；、6 沈l 业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 过程层析成像技术概述 两相流( 多相流) 是一种广泛存在的混合流动模式，如石油工业中的油气、油 水两相流，化学工业中流化床反应装置中的气固两相流等。随着工业生产自动化水 平的不断提高，两相流在工业生产中得到了广泛的应用，两相流参数检测在科学研 究和工业生产中发挥了越来越重要的作用，对两相流参数进行测量的需求越来越迫 切，过程层析成像技术( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称p t ) 适应这一发展趋势应运而 生。 八十年代中后期发展起来的p t 技术是一种以两相流或多相流为主要对象的过 程参数二维或三维分布状况在线实时检测技术f lj 。阿系统利用安装在被测管道或容 器周围的传感器阵列，获取被测物场在不同观测角度下的投影数据，利用图像重建 算法，经计算机处理后，给出过程截面状况的二三维可视化信息。由于p t 技术 能对封闭的工业过程管道、容器、搅拌器等内部多相流物场运动状态实现二维- - 维可视化实时监测，从而为两相流参数检测提供了另一种可行的新方法【卜4 】。 随着p t 技术的发展，目前已经有十几种基于不同敏感机理的p t 系统问世。 大多数的p t 技术按采用敏感器件的不同，可归类为硬场检测和软场检测 2 】。硬场 检测的敏感场不受被测介质分布的影响，如核p t ( x 、y 射线) 、微波p t 、光学 p t 等；而软场检测的敏感场受被测介质分布及特性的影响，如电学p t ( 包括电阻 e r t 、电容e c t 、电磁e m t ) 1 5 - 7 1 。表1 1 列举了常见的几种p t 技术的特点。 表1 1 常见的几种p t 技术的特点 沈川e 人学硕士学位论文 由表1 1 可知，每种不同的p t 技术都有其各自的特点和应用对象。作为一种 面向工业应用的新技术，能否得到广泛应用，主要取决于p t 系统在应用中的测量 精度、重建图像质量、对工业现场的适应性、实时性、成本等几方面是否满足了要 求。 核p t 技术具有重建图像精度高，适用范围广等优点。但由于该技术所固有的 慢速缺陷，要提高其实时性使其满足多相流动参数的检测要求还相当困难。加上其 复杂的结构、昂贵的价格等因素都成了该技术在工业应用推广的障碍，因此，核 p t 很难成为p t 技术研究发展的主流。 光学p t 技术具有成本低、速度快等优点，但它要求被测介质透明或半透明， 光路不能受到污染，因此该技术目前难以应用到工业现场。 超声p t 技术成本较低、非辐射无安全防护问题，实时性较好、重建图像质量 也较高，因此该技术的工业应用前景乐观。但该技术是基于超声波的扫描测量，系 统响应速度慢，不适合高速的两相流参数在线测量，且使用装置复杂。 电学p t 具有成本低、实时性好、非接触或非侵入、系统结构简单、非辐射安 全可靠等优点。它又可分为电容层析成像( e c t ) ，电阻层析成像( e r t ) 和电磁 层析成像( e m t ) 。 在所有p r r 系统中e c t 系统的传感器结构较简单，采用非侵入式测量方式、广 泛的适用范围、快速的响应速度以及较低的成本为其提供了十分广阔的应用前景， 随着微电子技术、并行处理、计算机技术和图像处理技术的发展，e c t 技术目前 存在的问题可望逐步得到解决。因此e c t 技术不仅是f r r 技术的主流之一，而且极 有可能成为最早在工业中获得广泛应用的p t 技术f 6 】。 1 2 本文的主要工作及意义 近几年来e c t 技术发展迅猛，系统的性能指标也有了很大的提高，并正在逐 步走向工业应用。但e c t 技术不论在理论上还是在应用方面都存在不少问题值得 进步深入探索和研究。 2 沈阳 i , i k 人学硕_ j 学位论文 本文以e c t 技术在两相流可视化监测中的应用为研究背景。针对e c t 系统硬 件和软件设计的关键技术进行了较为深入的研究，并成功地设计研制了一套e c t 系统实验装置。 本文完成的主要工作及意义： ( 1 ) 对比分析了在e c t 系统中常用的微小电容检测电路和静态电容补偿方 案的基本原理及优缺点，研制了采用直流反馈补偿法的交流电容检测 电路。 ( 2 ) 分析了杂散电容对电路的影响，并在实验的基础上寻找合适的电路参 数，为电路设计提供依据，克服杂散电容对电路带来的影响。 ( 3 ) 研制了具有简化结构的极板开关控制阵列，它最多能支持1 6 个通道测 量，适合与多种传感器接口。 ( 4 ) 分析了控制极板切换用的c m o s 模拟开关的耦合电容对成像稳定性的 影响，并采用软件实时补偿的方法解决了该问题。 ( 5 ) 研制了采用1 6 极板电容传感器的单片机控制的串行e c t 数据采集系 统，完成了相应的软硬件设计与调试，为图像重建提供高质量的投影 数据做准备。 ( 6 ) 成功地实现了e c t 系统实验装置的上位机( 成像计算机) 和下位机 ( 单片机控制的数据采集系统) 的联调，并采用所开发的实验装置进 行了成像实验。 本文对电容层析成像系统硬件和软件设计中的关键技术进行了深入的研究和探 索，通过对实验结果的分析，积累了一些经验，为e c t 技术应用于工业现场奠定 了基础。 3 沈阳工业大学硕士学位论文 2 电容层析成像系统 2 1 电容层析成像技术概述 电容层析成像( e c t ) 技术是2 0 世纪8 0 年代中后期发展起来的p t 技术，它具有 响应速度快、成本低、非侵入、应用广泛等优点，被认为是当前过程层析成像技术发展 研究的主流【”j 。e c t 技术的工作机理是：非导电物场内介质分布变化而引起电容值的 变化，通过测量电容值的变化来重建物场内介质分布而实现对多相流参数的检测。 典型的e c t 系统由三部分组成1 9 1 0 l ：阵列式电容传感器、数据采集系统、成像用 计算机( 如图2 1 所示) 。电容传感器由均匀分布在管道周围的多对电容极板和用于减 小外界电磁场干扰的屏蔽罩组成。数据采集系统用来测量任意一对极板问的电容值，获 得不同角度下的投影数据并输入给成像计算机。由于这些测量值反映了管道内介电常数 的分布情况，采用某种图像重建算法，就可以给出被测对象介质分布的断层图。 癣 矗 毒 图2 1 e c t 系统结构图 以采用单电极激励方式的1 6 极板e c t 系统为例，在一个完整的测量过程中，极板 1 首先被选为公共极板( 源极板) ，分别对极板对1 - 2 ，1 - 3 ，1 1 6 之间的电容进行测 量。然后选极板2 为公共极板，对极板对2 3 ，2 - 4 ，2 1 6 的电容进行测量。依次类 推r 直到极板对1 5 1 6 。这样，在1 6 极板的e c t 系统中可获得1 2 0 个独立的测量值。 一般对于一个n 极板系统，可得到的独立测量值为n ( n - 1 ) 2 个。 为了提高成像系统的分辨率，通常使每对极扳构成电容钡4 量敏感区汇聚在两极扳间 的一狭窄区域内，在系统设计中可采取以下两条措施： ( 1 ) 采用能抑制杂散电容干扰 一4 沈阳r 业大学硕士学位论文 的测量电路，使测量结果仅取决于被测的两个极板之间的电容。( 2 ) 在测量过程中任 何闲置极板都接地，形成被测极板的屏蔽环，使敏感区的汇聚效果更好。 2 2 电容层析成像系统的特性分析 e c t 技术现在还存在一些难点，主要有”“3 11 5 】：( 1 ) 电容传感器输出的电容较 小，而反映介质变化的电容变化量则更小，因此对数据采集系统的灵敏度和抗= f 二扰能力 要求很高。( 2 ) 投影数据少。受微弱电容检测能力的限制，管壁上安置的测量电极较 少，因此获得的投影数据十分有限。如8 极板只能提供2 8 个独立的投影数据，l ，极板 只能提供6 6 个投影数据，如此少的投影数据给高质量的图像重建带来困难。( 3 ) e c t 技术固有的“软场”特性，即敏感场受被测介质分布的影响。 在e c t 系统的硬件电路设计中，难点( 1 ) 是我们遇到的主要问题，它要求所设计 的测量电路应具有以下特性1 4 、1 2 1 5 1 ： ( 1 ) 抗杂散电容干扰。系统中除了存在极板问电容外还有大量的杂散电容存在， 而且这些电容要远远大于被测电容。杂散电容主要来自1 1 4 1 ：将极板连至 检测电路的屏蔽电缆中芯线与屏蔽层间的电容，一般为1 0 0 p f m ；用于选 择极板工作方式的c m o s 模拟开关，其输入电容典型值为8 p f ；极板与 防止外电磁场干扰的屏蔽罩间的电容。 ( 2 ) 测量的动态范围大。由于不同极板间的静态电容和电容变化范围往往会相差 几个数量级，例如八极板的电容传感器相邻极板和相对极板间的静态电容相 差可达几十倍，因而数据采集系统必须能够动态调整其测量范围以与之相适 应。 ( 3 ) 测量的灵敏度高。由于传感器输出电容较小，而反映被测介质变化的电容变 化量更小，这就要求电路应具有较高的灵敏度和信噪比。 ( 4 ) 测量电路要求具有较好的测量线性度，钡4 量电路要能够在整个测量动态范围 内具有致的信号处理能力。 ( 5 ) 低漂移。由于传感器的静态电容及电容变化量很小，为使e c t 系统能够长 期稳定的工作，使测量分辨率达到所需的数量级，相应要求检测电路具有较 低的漂移，否则漂移信号将淹没有用的测量信号。 - 5 沈l j f l i - 业大学硕士学位论文 ( 6 )较高的实时性。由于多相流体的运动速度往往可达到每秒数米甚至更高，因 而要求检测系统必须具有较高数据采集和处理速度。检测系统应在尽可能短 的时间内完成电容电压( c ) 转换、模拟，数字转换及传输。 为了满足上述要求，同时考虑到系统复杂性和成本，在e c t 系统设计中遵循了以 下几个原则： ( 1 ) 对电容传感器的极板数目、结构尺寸、极板制作、组合方式和材质进行优化 设计，在综合考虑系统性能的情况下，获得尽可能多的投影数据。 ( 2 ) 对微小电容测量方法及硬件电路进行深入研究。要求硬件电路具有高灵 敏度、抗杂散电容、低漂移、结构简单等特点。 ( 3 ) 综合考虑系统的性能，合理的划分像素数目，研究和探索快速高效的图 像重建算法，有效的提取特征参数，提高图像重建质量。 2 3e c i r 系统硬件总体方案设计 微小电容测量电路是整个系统中最核心的部分，它设计的优良与否直接关系到系统 设计的成败。从8 0 年代起，人们就开始了对微小电容测量电路的研究，其中直流充放 电电路和交流电容检测电路因具有较好的抑制杂散电容干扰的能力，而最为常用。表 2 1 对两种电路的优缺点进行了比较1 7 1 。 表2 1 两种c 变换电路的比较 电路结构特点优点 缺点 抗杂散电容 直流充分辨率可达0 3 i f结构简单 放电电路充放电频率最高为成本低 2 5 d 匿| z 抗杂散电容 交流( a c ) 分辨率可达o 0 4 停低漂移 检测电路激励信号频率最高信噪比 、不存在电荷注问题 c w 变换电路中采抖j c m o s 开关存在电荷注 入问题 存在漂移问题 结构复杂 成本高 一6 一 沈阳j ，业大学硕士学位论文 由表2 1 可知，交流检测电路虽然比直流充傲电电路的结构复杂、成本高，但它的 性能更好、分辨率更高，所以本文采用了交流检测电路。 采用这两种方法设计的电路的最终输出中都包含有电容传感器的静态电容( 空管时 对应的电容值，也称为本体电容) 部分。由于静态电容比较大，而各极板间充以两相介 质时引起的电容变化量相对于静态电容比较小，因此目前各种e c t 系统中都带有静态 电容补偿部分。消除静态电容的主要方法有：直流反馈补偿法、交流反馈补偿法和自平 衡补偿法。表2 , 2 对这三种方法的优缺点进行了比较f 1 6 1 。 表2 2 三种静态电容补偿方法的比较 由于直流反馈补偿法具有结构简单、成本低等优点，而且性能足以满足我们所 设计的系统的要求，所以系统采用了直流反馈补偿法。 在经过对上述两种微小电容测量电路和三种静态电容补偿方案比较分析后，确定了 如图2 2 所示的e c t 系统总体方案。整个数据采集系统由交流c v 转换及放大电路、 传感器及极板控制电路、信号发生器、增益可编程放大器( p g a ) 、相敏解调及低通滤 波电路、增益可控差动电路、d a 补偿电路、a d 测量电路和单片机控制处理电路等组 成。 7 沈阳_ r ：业大学硕士学位论文 ； 画 ! 廑 传 增益 赢自 感 可控 一测量u 片l 器 l 交漉0 9 ll 相擘勰调i 差动 i 档机l 极 叫转换及放卜_ | 及低遭澹卜 电路 l j ! l j k牛 板 f 大电路il 波电路l 控 i 陋篓 制 电增益可蝻百翮 路 p 程放大器 h 卜一 堂1 跚采集荼虻 图2 2 e c t 系统组成框图 以1 6 极板电容传感器为例，系统的工作原理如下：信号发生器产生正弦激励信号 送入p g a ，单片机根据不同的极板组合将p g a 设置成不同的放大倍数，被放大后的正 弦信号经c m o s 模拟开关作用于传感器极板，极板在控制电路作用下，选择其中任意2 极板分别做激威极和检测极，交流c v 转换电路把此电容信号转换成与之相对应的交流 电压信号，相敏解调及滤波电路再把这个交流信号转变为直流电压信号。实际这个直流 信号对应着三个电容成分，即极板问的静态电容、控制极板切换的c m o s 模拟开关的 耦合电容和反映管道内介质变化的电容成份，这三个电容量中只有反映介质变化的电容 量是用于图像重建的有效电容成份，为了实现高精度的测量，前两个电容量必须消除， 因此采用了增益可控差动电路进行直流补偿。差动电路也选用了p g a ，它的同相端输 入为滤波电路输出的直流信号，反相端输入为d a 补偿电路输出的补偿信号，相减后 的结果在p g a 内经放大后送入a d 测量电路，a d 变换器将此电压信号转换成数字量 后送入单片机。单片机将测量得到的数据通过r s 2 3 2 串行臼传送给计算机，计算机负 责完成图像重建的任务。 本文所设计的e c t 系统特点可归纳如下： ( 1 ) 采用交流c v 变换电路检测微小电容的变化，系统具有良好的杂散电容抑 制能力。 一8 沈阡 t 业人学硕十学位论文 采用直流补偿方式消除静态电容和c m o s 模拟开关耦合电容的影响，提高 了系统的动态测量范围和成像稳定性。 采用四象限模拟乘法器完成信号的相敏解调，提高了测量系统的测量精度。 采用交流、直流两个可编程放大器，实现了c v 变换电路灵敏度可调，解 决了宽量程电容测量问题。 采用一路激励、一路检测电路的形式简化系统结构，设计了适用于多种传感 器接口的极板开关控制阵列，为实现多种测量方案提供可行性。 系统在结构上采用上、下位机并行工作的方式，即上位机( 成像计算机) 主 要用于图像重建，下位机( 单片机控制的数据采集系统) 完成投影数据采 集，这样的设计大大提高了系统的工作效率。 9 沈阳上业人学硕士学位论文 3 e c t 系统硬件设计 e c t 系统的硬件电路主要包括以下几部分：交流c n 转换及放大电路、传感器及 极板控制电路、信号发生器、增益可编程放大器、相敏解调及低通滤波电路、增益町控 差动电路、d a 补偿电路、a d 测量电路和单片机控制处理电路。下面将每一部分电路 加以具体介绍。 3 1e c t 系统c v 转换电路 3 1 1 交流c n 转换及放大电路 电容检测电路( c v 转换) 是e c t 系统硬件设计的核心部分。由于在e c t 系统 中，被测电容变化量很小，杂散电容很大，因此对c n 转换电路的性能要求较为苛刻。 以极板长度为1 0 c m 的1 2 极板e c t 传感器为例，用阻抗分析仪测得各极板对在空管 ( 白；1 o ) 的本体电容如图3 1 a 和管内充满聚苯乙烯小珠( r - 1 8 ) 时电容变化量如图 3 1 b f l 嗣。由图上可知，本体电容值很小，从0 0 1 p f 到0 5 p f ，而电容变化量更小，从 o 0 0 5 p f 到0 0 8 p f 。不仅如此，e c t 传感器中还存在较大的杂散电容( 约为1 5 0 p f ) ， 且杂散电容会随温度、位置及器件的选取等诸多因素而变化。这就要求c n 转换电路既 要能抑制杂散电容的干扰，又要能测量微小电容的变化，并且具有较宽的测量范围。为了 满足这些要求，本系统设计的c v 转换电路采用了工作在高频方式下的交流电容检测电 路。 詈 堡。 辱 图3 1 传感器电容输出 - 1 0 沈阳t 业火学硕士学位论文 交流检测电路的工作原理如图3 2 所示。第级为检测级，作用是将电容量变成与 之相对应的交流电压最。检测器在电路设计t 以电容反馈为主，反馈电阻r ，的作用是 用来防止直流偏置电流向c ，充放电而导致运放饱和。 旨一， 母 r 2 硷澳4 器放大器 图3 2 检测器和放大器 以0 图中g 为被测电容，g ，和c 0 为极板与地间的杂散电容。转渺为施加的讵弦激励 信号，理想情况下c v 转换电路的输出可表示为1 8 、1 9 、3 1 3 5 1 ： 啪卜嵩备 式中：国激励电压z s ( 0 的角频率。 ( 3 1 ) 当母足够大，使得f ，甜，彤i l 时( 例如，f = 5 0 0 k h z ，q = 1 0 p f ，r r l o m q ， 贝1 j j a ) c r i i = 3 1 4 2 1 ) ，则式( 3 1 ) 可简化为： 一导k ( 3 2 ) 由式( 3 2 ) 可知，在0 和k 一定的情况下，检测器的输出电压只与被测电容成比 例，而与激励信号频率等没有关系，这样就完成了由电容量到电压量的转换。 滴 一嘲 零军扫i 一可： 沈阻i 。业大学硕士学位论文 c v 转换电路的运算放大器要具有宽频带、低漂移、响应速度快等特点。最后选用 了精密低漂移运算放大器o p a 6 3 7 。它的主要性能特点和参数如下【2 0 】： ( 1 ) 低噪声：不大于1 6 n v 4 h z ； ( 2 ) 快速建立时间：刁；大于5 5 0 n s ； ( 3 ) 低失调：不大于1 0 0 u v ； ( 4 ) 低漂移：不大于o 8 u v 9 c ； ( 5 ) 低输入偏置电流：不大于5 p a ； ( 6 ) 增益带宽：典型值为8 0 m h z ( g - 5 ) ； ( 7 ) 输入阻抗：大于1 0 ”q 。 图中第二级为交流放大级，作用是进一步放大第一级的输出，提高系统的分辨率。 z o ( t ) 一r 。z 。) - ( f ) 戌 ( 3 3 ) 电路中运放也采用了o p a 6 3 7 ，r l 取1 k ，r 2 取5 k ，把从c n 转换输出的交流信 号放大5 倍。 3 1 2 非理想条件下杂散电容对c n 转换电路的影响 e c t 系统中的杂散电容很大，因此要求所设计的c n 转换电路要具有良好的抗杂散 电容干扰的能力。本文设计的c v 转换电路在原理上是抗杂散电容干扰的，其基本原理 是叫冶】：图3 2 中g ，和c 0 分别是极板连线、传感器屏蔽罩和两极板之间形成的等效 杂散电容，g ，没有与c n 转换电路的输入端相连，对输出无影响；而c 0 虽然和c v 转换电路的输入端d 相连，但由于d 点处于虚地状态，故c , e 两端无电位差，c 刍的存 在对输出也没有影响。所以本电路可以抑制杂散电容的干扰。 上述分析是假设构成c n 转换电路的运算放大器是理想的，即运放的开环电压增益 和输入阻抗为无穷大的条件下得到的。但在实际应用中，由于所有运放均不是理想的， d 点与地之间存在一定的电位差，在转换电路输出灵敏度比较高的情况下，杂散电容 c 0 对转换电路输出会有影响。因此，有必要研究杂散电容c 0 对转换电路输出的影响。 在理想情况下，杂散电容g ，和c 刍对电路无影响。电路输入和输出之间的关系为： 1 2 沈阳上业大学硕士学位论文 驴嵩筹，矿 ( 3 4 ) 但在非理想情况下，d 点与地之间存在电位差( 这个电位差设为k ) ，现将激励信 号输入端视为接地，而只考虑电位差的影响，则可将c i v 转换电路等效为图3 3 。 图3 3c n 转换电路的等效电路 由于被测电容g 远远小于杂散电容c 玉，所以g 的影响可以忽略不计。则电位差 k 在c 之上产生的电流为： ic = j 文s ，c 0 流经反馈电阻母和反馈电容0 后，在c n 转换电路的输出端产生的电压为 y ”= ( 1 + 丁；j o 了) 丽c 5 2 r f ) 矿。 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 毋足够大，使得i ，国c ，q i l 时( 例如，当产5 0 眦，c ：i o p f ，母= l o m q ，则 b n c ，r ，= 3 1 4 2 1 ) ，则式( 3 6 ) 可简化为； 耻( 1 + 争比 1 3 ( 3 ，7 ) 沈日工业人学硕士学位论文 若杂散电容c 匆发生变化c ，则输出电压为： 除( 1 + 半肌 式( 3 7 ) 和( 3 8 ) 相减，就可得到杂散电容改变引起的输出电压变化 a v ：a c 矿。 cr ( 3 8 ) ( 3 9 ) 通过对所开发的e c t 系统的实验发现，d 点的幅值会随c v 转换电路输出的变化 而改变，变化幅度从5 m v 到2 5 m v 。在c v 转换电路输出的峰峰值为o 8 v 时，d 点的 幅值约为8 i n v ；峰峰值为2 ，3 v 时，d 点的幅值约为1 5 m v 。当反馈电容g 为m p f ，d 点的幅值为2 0 m v 时，杂散电容a c 变化l p f 所引起的输出电压变化为2 m v ，而此时实 验得到的c v 转换电路输出的峰峰值为2 4 1 v ，这说明杂散电容变化对输出电压的影响 要远远小于激励信号k 对其的影响，而且在实验室环境下，e c t 装置和极板引线等已 被固定，杂散电容的变化将很小。因此在非理想条件下，杂散电容及其变化对c n 转 换电路的影响几乎可以忽略不计。 为了验证上述理论分析的正确性，作者在所开发的实验装置上做了相应实验。结果 与理论分析基本相同，实验详见第五章。 3 2e c t 系统的阵列式电容传感器 电容传感器在e c t 系统中的作用是将传感器敏感空间内介电常数的分布转换成为 各极板对间的电容，是系统信息的最初来源。e c t 技术对传感器性能的主要要求是： ( 1 ) 灵敏度高。即介电常数变化所引起的电容值变化要大。 ( 2 ) 抗干扰能力强。能避免外界的各种干扰。 ( 3 ) 敏感空间限制在一定范围内。 - 1 4 沈阳上业人学硕士学位论文 3 2 1 电容传感器的结构及设计原则 典型的e c t 传感器系统包括：均匀安装在封闭管道周围的测量极板和用以减小外 界电磁场干扰的接地屏蔽罩( 如图3 4 所示) 。传感器结构参数选取要综合考虑所使用 的c v 转换电路、图像重建算法等因素。设计原则可归纳为6 2 3 州】： ( 1 ) 测量极板数目 提高e c t 系统分辨率的关键是提供更多的测量数据。测量极板数目增加，独立电 容测量值数目( 投影数据) 增多，能提高图像重建质量。但增加极板数目要通过减少极 板面积来实现，而极板面积的减少会使检测场灵敏度降低，同时也相应地延长了数据采 集和图像重建的计算时间，降低系统成像速率。 ( 2 ) 测量极板张角0 极板张角0 存在一个最优化值，过大或过小对测量均有不利影响。 ( 3 ) 测量极板轴向长度 极板沿管道轴向的长度越长，管中多相介质的存 在引起的电容变化越大，电容的测量越容易。但太 长会造成空间滤波效应，使传感器对流体空间结构 的高频信号失去响应能力；若极板太短，虽对高频 信号响应能力强，但输出电容太小，信嗓比降低， 电容检测难度增加。 ( 4 ) 管壁厚度r 2 r l ，管壁相对介电常数s ，m 闰3 48 极板e c t 传感器截面图 理论分析和实验表明，管壁厚度对成像系统有 很大的影响。管壁变厚，可以增加机械强度，并使管道内的灵敏度分布趋于均匀，但由 于电容传感器的高灵敏度往往集中在管壁处，因而会导致管道内灵敏度的降低。另外， 壁厚和管壁介电常数占。的增加都会使电容的空管捕管变化量减小。 ( 5 ) 屏蔽罩至电极距离r 3 - r 2 ，屏蔽罩绝缘层的相对介电常数 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 接地屏蔽罩用于消除外部的电磁干扰，保护极板不受到损坏。较小的r 3 r 2 能使传 感器结构紧凑。理论和实验研究表明，减小r 3 一r 2 能减少传感器本体电容，但却会增加 屏蔽罩和极板间的杂散电容，对测量电路的抗杂散电容干扰的能力要求更高。 3 2 2 本课题传感器的设计 本文所设计的e c t 系统电容传感器，在遵循上述设计原则基础。卜，力求传感器结 构简单、紧凑、安装使用方便。它包括三个部分：绝缘管道、极板和外屏蔽罩。作者制 作的1 6 极板电容传感器如图3 5 所示。 绝缘管道极板外屏蔽罩 图3 51 6 极板电容传感器结构 绝缘管道选用了直径为3 0 m m 凰度较好的有机玻璃管，一方面绝缘，同时也便于观 察物体的位置。电容传感器极板采用p c b 板制造工艺在挠性线路板上覆铜的方法制 成，与手工贴制相比，极板的厚度可以依要求精确制作，而且极板与极板之间的缝隙均 匀，极板张角可以做得非常精确。安装时要将极板紧紧地贴在绝缘管道外部。屏蔽罩的 作用是：( 1 ) 抑制外界电磁干扰，( 2 ) 防止屏蔽罩以外的空间物质介电常数的变化影 响电容值。传感器结构参数如表3 1 所示。 表3 1 传感器结构参数 3 3 传感器极板阵列控制电路 目前在e c t 系统的源和检测电路的设计上，普遍采用所有极板共用一个激励源的 形式，而对于检测电路目前有两种结构：每个极板独占一个检测电路的并行检测方案和 1 6 沈阳1 业大学硕士学位论文 所有极板共用一个检测电路的串行检测方案。并行检测方案的特点是每一块极板独享一 个c v 转换电路，因此系统的实时性较好，但结构比较复杂，成本较高 2 5 1 2 6 1 。串行检 测方案的特点是所有极板共用一个检测电路，即极板的工作模式替换是串行进行的f 2 7 ”1 。它与并行检测方案相比，不仅降低了数据采集系统的总体造价，而且避免了各并行 支路电路性能的离散性给系统带来的影响，提高了系统的可靠性。但是串行方案由于共 用c v 转换电路，所以在数据采集时c v 转换消耗的时间较长，降低了系统的采集速 度。 本文设计的e c t 系统采用了串行检测方案，对于一个由1 6 极板构成的传感 器，采样过程是这样进行的；极板l 被激励，极板2 为检测极板，其余极板接地， 这时输出值是极板对l 一2 所形成的电容值。按这种规则循环采样，直到最后极板1 5 被激励。极板1 6 为检钡4 极板，澳4 量极板对1 5 1 6 的电容值。一个采样周期共采集 1 2 0 个独立的电容值。这种采样规则就要求一块极板必须具有三个工作方式：激励 方式、检测方式和接地方式。这就需要设计一个控制电路来实现极板工作方式的选 取。 本文设计了一款具有简化结构的极板开关控制电路，它最多能支持1 6 个通道测 量，并适合与各种e c t 系统传感器接i ；3 ，可实现多种测量方案。电路如图3 6 所示。 电路说明如下： ( 1 ) 每个极板都由模拟开关控制分别工作于激励、检测和接地三种不同模式。 ( 2 ) 若每个极扳的三种工作方式都靠单刀单掷开关切换，则1 6 个极板需要4 8 个 单刀单掷开关，4 8 根控制口线，这种设计使得系统庞大，控制复杂。本文 设计的极板开关控制电路采用t a 选一数据选择器m a x 3 3 8 实现各极板接 源、接检测的切换，采用单刀单掷开关a d g 2 0 1 来实现各极板接地。这种 电路结构大大减少了元器件及控制口线的数量。 ( 3 ) 电路不但能与多种传感器接1 ：3 ( 包括8 极板、1 2 极板、1 6 极板传感器) ， 而且由于每个极板的工作状态是可编程的，因此可实现多种测量方案，如组 合极板的测量等，为后续的研究工作带来更多的灵活性。 一1 7 沈阳工业人学硕士学1 ) i ) = 论文 ( 4 )控制模拟丌关的3 2 根口线分别由并行接口芯片8 2 5 5p a 、p b 、p c 以及单片 机的p l 口提供。8 2 5 5 的p a 、p b 口分别控制各极板接地，p c 口控制极板 接信号源，单片机的p l 口控制极板接检测电路。 图3 6 极扳阵列控制电路 由于极板控制电路中的c m o s 模拟开关存在耦合电容，且它易受外界因素的影响 而变化，使e c t 系统成像稳定性受到影响，因此必须采取补偿措施，详细内容请参阅 第3 1 2 节。 3 4 信号发生器 信号发生器采用m a x i m 公司生产的高频波形发生器m a x 0 3 8 瞄1 。该器件工作于 5 v 5 的电源下，只需少量的外围元件就能产生从1 h z 到2 0 m h z 的低失真正弦波、 三角波、矩形波等脉冲信号。本文利用该器件产生5 0 0 k h z 的正弦波信号。 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 m a x 0 3 8 的工作电路如图3 7 所示。输出频率决定于注入i i n 引脚的电流、c o s c 引脚的电容量( 对地) 以及f a d j 引脚的电压。当v 。，。= 0 v 时，输出的基波频率f 。 由下式给出： = 等 式中：如一注入到i i n 引脚的电流( 2 “a 到7 5 0 p a 之间) ； 0 接到c o s c 和地之间的电容( 2 0 p f 至 1 0 0 0 a ) 。 对于固定频率工作，设置m 接近于1 0 0 u a 并选择一个适当的电容值。这个电流具 有最小的温度系数。一个接在r e f 和i i n 之间的电阻肌提供一个方便的产生伽的方 法： ，一 - n i ( 3 1 1 ) 由于f a d j 的电流给输出频率增加了一个温度系数，在开环应用中，这个温度系数 可以通过f a d j 接1 2 k 的电阻到地来消除。在f a d j 引脚吸收的- 2 5 0 ua 电流在1 2 k 电 阻上产生了一个1 3 v 的电压，这个电压产生了两个结果：( 1 ) f a d j 引脚产生的电流保 持在线性区，但是和振荡器断开，提高了温度稳定性。( 2 ) 振荡器频率加倍使得输出 频率加倍即： r ：鳖 “ r w c f ( 3 1 2 ) 当设定