專(zhuān)利名稱(chēng)：數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)量電變量，尤其涉及一種數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器。
目前的電容層析成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其不足之處電容層析成像(ElectricalCapacitance Tomography，簡(jiǎn)記ECT)技術(shù)是從80年代中期開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種多相流參數(shù)檢測(cè)技術(shù)。其工作原理如

圖1所示。它通過(guò)電容傳感獲得管截面上介質(zhì)的介電常數(shù)分布而獲得介質(zhì)分布的圖像。它主要由電容傳感器、電容數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像重建微機(jī)三大部分組成。傳感器有均勻分布在絕緣管道外壁上的多個(gè)(一般為12)電極構(gòu)成，這些電極間可形成電容，當(dāng)管道內(nèi)多相介質(zhì)的空間分布發(fā)生變化時(shí)，這些電容也會(huì)發(fā)生變化；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則將這些電容轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳送給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)則依據(jù)一定的圖像重建算法完成圖像重建工作。
適合應(yīng)用于電容層析成像技術(shù)的電容測(cè)量方法主要有電荷轉(zhuǎn)移法和交流法兩種。這兩種電路從本質(zhì)上講都是對(duì)電容進(jìn)行連續(xù)的充放電，充放電形成的電流的大小代表了電容大小。而該充放電形成的電流是脈動(dòng)的，因而必須加以濾波。而濾波器的時(shí)間常數(shù)大，則濾波效果好，但電容測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。反之，電容測(cè)量時(shí)間短，但噪聲大。時(shí)間常數(shù)的選擇往往處于矛盾中。數(shù)據(jù)采集速度最快為100幅/秒。
本實(shí)用新型的目的是提供一種高速度、低噪聲的數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取下列措施數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器的電路為被測(cè)電容Cx一端接激勵(lì)信號(hào)源Vi一端接運(yùn)放U1的反相輸入端。電容Cf與電子開(kāi)關(guān)S1并聯(lián)后一端接運(yùn)放U1的反相輸入端一端接該運(yùn)放的輸出。運(yùn)放U1的同相端接地。電容C1和C2的一端接地，另一端分別于電子開(kāi)關(guān)S2、S3的一端相連后分別連至緩沖器U2、U3的輸入端。電子開(kāi)關(guān)S2、S3的另一端與運(yùn)放U1的輸出相連。緩沖器U2、U3的輸出分別連至儀表放大器U4的正和負(fù)輸入端，儀表放大器的輸出為測(cè)量電路的輸出。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1)高速度。該電路中得到最后的輸出電壓所須時(shí)間主要是對(duì)被測(cè)電容的充放電過(guò)程中運(yùn)放的穩(wěn)定時(shí)間，總共約10μS。速度遠(yuǎn)高于電荷轉(zhuǎn)移法和交流法的電容測(cè)量電路；
2)低噪聲。電路中測(cè)量結(jié)束后電壓送出時(shí)，該電壓上并無(wú)原理性的噪聲，此時(shí)輸出不需要濾波器。而基于電荷轉(zhuǎn)移原理和交流法的電容測(cè)量電路中都存在原理性的噪聲，需要濾波器來(lái)濾波后才能進(jìn)行后續(xù)的電壓測(cè)量工作。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是電容層析成像系統(tǒng)示意圖；圖2是電容數(shù)據(jù)采集傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器的方框電原理圖；圖4是數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器的電原理圖；圖5是電容測(cè)量電路的時(shí)序示意圖。
圖2中電容數(shù)據(jù)采集傳感器包括絕緣管道2，在絕緣管道外壁上均勻分布多個(gè)敏感電極3，敏感電極外設(shè)有屏蔽罩4，在屏蔽罩內(nèi)壁與多個(gè)敏感電極間隔之間設(shè)有徑向電極1，其特征在于在徑向電極上固定有長(zhǎng)條數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器電路板5，并通過(guò)排線(xiàn)連接。
圖3中由傳感器外部的測(cè)量板傳來(lái)的控制信號(hào)和由撥號(hào)開(kāi)關(guān)設(shè)置的模塊地址連接到譯碼器，譯碼器的輸出連接到控制激勵(lì)信號(hào)源和電容/電壓轉(zhuǎn)換器，傳感電極連接到控制激勵(lì)信號(hào)源和電容電壓轉(zhuǎn)換器。電容/電壓轉(zhuǎn)換器的輸出經(jīng)譯碼器控制的電子開(kāi)關(guān)送出。
圖4中被測(cè)電容Cx一端接激勵(lì)信號(hào)源Vi一端接運(yùn)放U1的反相輸入端。電容Cf與電子開(kāi)關(guān)S1并聯(lián)后一端接運(yùn)放U1的反相輸入端一端接該運(yùn)放的輸出。運(yùn)放U1的同相端接地。電容C1和C2的一端接地，另一端分別于電子開(kāi)關(guān)S2、S3的一端相連后分別連至緩沖器U2、U3的輸入端。電子開(kāi)關(guān)S2、S3的另一端與運(yùn)放U1的輸出相連。緩沖器U2、U3的輸出分別連至儀表放大器U4的正和負(fù)輸入端，儀表放大器的輸出為測(cè)量電路的輸出。
Cx為被測(cè)電容，Cas、Cbs為電容的兩電極與地間形成的電容。S1、S2、S3為電子開(kāi)關(guān)。U1為高輸入電阻的運(yùn)算放大器(如TL081)，U2、U3為運(yùn)放構(gòu)成的緩沖器，其輸入輸出放大倍數(shù)為1。U4為儀表放大器(如AD620)。Vi為激勵(lì)信號(hào)源，它只輸出高低兩個(gè)電平。U1、Cf、S1構(gòu)成電荷放大器。S2、U2和S3、U3分別構(gòu)成采樣保持器(S/H)。開(kāi)始工作時(shí)，Vi為高電平，S1閉合，采樣保持器都處于跟隨狀態(tài)。由于S1閉合，U1輸出為0V。在t＝ti時(shí)刻，S1斷開(kāi)，在理想情況下，U1輸出仍保持為0V不變，但由于電荷注入效應(yīng)，Cr上存有電荷，使得U1的輸出V1降低(有的電子開(kāi)關(guān)也可能使其升高)，設(shè)該電壓為VL。在t2時(shí)刻，U1輸出已穩(wěn)定，并且V2已跟隨上了V1的變化，S3斷開(kāi)，將電壓VL保持在U2的輸出端。隨后在t3時(shí)刻，激勵(lì)電壓降低，該電壓對(duì)被測(cè)電容充電，注入電荷量為Q＝ΔVi*Cx該電荷流經(jīng)運(yùn)放的虛地端后存儲(chǔ)在Cf上，此時(shí)U1的輸出為VH＝VL-Q/Cf該電壓在t4時(shí)刻被保持于V3端，則儀表放大器U4的輸出為V4＝VH-VL＝-ΔVi*Cx/Cf即，其輸出電壓與Cx成正比。
被測(cè)電容Cx的兩電極與地之間也會(huì)分別形成雜散電容Cas和Cbs，，檢測(cè)電路應(yīng)能夠抑制它們的存在對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。電容Cas與激勵(lì)源Vi相連，它的存在不會(huì)影響通過(guò)被測(cè)電容的電流。Cbs的兩端處于虛短路狀態(tài)。其存在也不會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生影響。
權(quán)利要求1.一種數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于它的電路為被測(cè)電容Cx一端接激勵(lì)信號(hào)源Vi一端接運(yùn)放U1的反相輸入端，電容Cf與電子開(kāi)關(guān)S1并聯(lián)后一端接運(yùn)放U1的反相輸入端一端接該運(yùn)放的輸出，運(yùn)放U1的同相端接地，電容C1和C2的一端接地，另一端分別于電子開(kāi)關(guān)S2、S3的一端相連后分別連至緩沖器U2、U3的輸入端，電子開(kāi)關(guān)S2、S3的另一端與運(yùn)放U1的輸出相連，緩沖器U2、U3的輸出分別連至儀表放大器U4的正和負(fù)輸入端，儀表放大器的輸出為測(cè)量電路的輸出。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種數(shù)據(jù)采集電容/電壓轉(zhuǎn)換器。它的電路為:被測(cè)電容C
文檔編號(hào)G01R27/26GK2503493SQ01220418
公開(kāi)日2002年7月31日 申請(qǐng)日期2001年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月29日
發(fā)明者王保良, 黃志堯, 李海青 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)