基于大尺度传感器的电容测量电路抗干扰方法*

赵进创， 王　祎， 傅文利， 邹星星

(广西大学 计算机与电子信息学院，广西 南宁 530004)



基于大尺度传感器的电容测量电路抗干扰方法*

赵进创， 王祎， 傅文利， 邹星星

(广西大学 计算机与电子信息学院，广西 南宁 530004)

为了抑制基于大尺度传感器的电容层析成像(ECT)系统的电容测量电路中的较强测量干扰，在分析了测量电路中单屏蔽同轴电缆和模拟开关杂散电容测量干扰产生机理的基础上，设计了能抗杂散电容的基于等电位驱动电缆内屏蔽技术和双T型模拟开关阵列的大尺度传感器电容层析成像系统测量电路，同时，为了提高测量电路输出信噪比，在测量过程中采用双极板激励策略增强大尺度传感器内敏感场强度。经实验测量，采用该抗干扰方法的电容测量电路的输出信噪比为56.8 dB，10 h内测量值标准差为0.132 fF。可见，该电路抗杂散电容干扰能力较强，输出信噪比较高，稳定性较好。

电容层析成像； 大尺度传感器； 杂散电容； 等电位驱动； 双T型模拟开关阵列； 双极板激励

0　引　言

电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)技术是一种可对封闭管道或容器内的多相流进行可视化监测的技术，其因具有非侵入、成本低、耐高温和结构简单等优点而被广泛应用于工业生产过程可视化监测。目前，大部分工业ECT系统均基于小尺度传感器(直径为5～20 cm)来设计，而对于大尺度容器，如煮糖罐(直径为1～3 m)，现有系统无法对其内部蔗糖晶体溶液进行可视化监测，因此，有必要设计基于大尺度传感器的ECT系统。

在设计基于大尺度传感器的ECT系统时，抑制杂散电容对电容测量电路的干扰是一个十分关键的问题。由于设计并制作的ECT传感器尺度较大(直径为2 m)，导致连接传感器极板和电容测量电路的同轴电缆较长(一般为4 m左右)，寄生的杂散电容较大(100 pF/m[1])，电容测量电路受到较强干扰；另一方面，由于控制传感器极板工作状态的模拟开关在断开时存在杂散电容(即关断电容)，测量电路的精度也受到了影响，因此，有必要对基于大尺度传感器的电容测量电路的抗干扰硬件进行设计。

1　电容测量电路中的干扰产生机理

1.1单屏蔽同轴电缆的杂散电容测量干扰

在ECT系统中，连接传感器极板和测量电路的单屏蔽同轴电缆的屏蔽层接地，芯线与屏蔽层之间存在电位差，导致两者之间存在等效杂散电容。由于大尺度传感器ECT系统的同轴电缆较长，导致杂散电容较大，等效杂散电容Cs如图1(a)所示。由图1(a)可知，受杂散电容Cs分流作用的影响，实际流入电容测量电路的电流I1小于待测电容Cx的检测电流I，同时，由于杂散电容Cs受外界因素影响(如电缆的晃动)存在随机波动，导致电流I1波动较大。因此，系统测量受到了同轴电缆杂散电容的干扰。

1.2模拟开关的杂散电容测量干扰

在ECT系统中，模拟开关通过联通和断开信号路径来对极板工作状态进行选择，因此，选用的开关须具备良好的信号阻隔能力。然而，由于普遍采用的单模拟开关断开时存在杂散电容Coff(如图1(b)所示)，一部分激励电流Ie1,Ie2通过该电容流入电容测量电路，导致电容测量电路实际检测到的电容是待测电容Cx与杂散电容Coff1,Coff2的并联值，因此，系统测量受到了模拟开关杂散电容的干扰。

图1　杂散电容测量干扰的产生Fig 1　Generation of stray capacitance measuring interference

1.3大尺度传感器的噪声干扰

在设计直径为2 m的大尺度传感器的过程中，在考虑了边缘效应[2]的情况下，选择长为80 cm、宽为30 cm的铜制极板作为传感器极板，极板外围采用径向接地屏蔽层消除传感器外极间电容，采用轴向屏蔽层来消除外界电磁干扰。

在采用单极板激励策略的条件下，该大尺度传感器和直径为20 cm的小尺度传感器内的不同位置(如图2(a)所示)的敏感场强度对比如图2(b)所示。

图2　大尺度传感器敏感场特性Fig 2　Characteristic of sensitive field in large-scale sensor

由图2(b)可知，对于大尺度传感器而言，传统的单极板激励策略会导致传感器中心区域敏感场强度大幅下降。敏感场强度的下降会导致输出测量信号幅度减小，从而使得测量电路输出信噪比降低。

2　抗电容测量电路中干扰的方法

2.1同轴电缆杂散电容测量干扰的抑制

通过对单屏蔽同轴电缆杂散电容测量干扰产生机理的分析，采用等电位驱动电缆内屏蔽技术抑制其干扰。如图3所示，该技术采用双屏蔽同轴电缆和等电位电缆驱动电路。在输入电流I3近似为0 A的情况下,等电位电缆驱动电路实时重建芯线电压波形并将其作用于双屏蔽同轴电缆的内屏蔽层，确保内屏蔽层与芯线电位相等，从而从根本上抑制杂散电容干扰。同时，电缆外屏蔽层接地，抑制外界电磁干扰。

图3　等电位驱动电缆屏蔽层技术Fig 3　Equipotential drive cable technologies

等电位电缆驱动电路原理图如图4所示。由图可知，该电路前级为采用OPA627构成的电压跟随器。由于该运放输入电阻较大，因此可以认为输入电流I3近似为0。电路的后级为采用OPA627构成的电压微调电路。电阻R3用来防止电缆驱动电路产生自激。

图4　等电位电缆驱动电路Fig 4　Equipotential cable drive circuit

2.2模拟开关杂散电容测量干扰的抑制

为了抑制模拟开关的杂散电容干扰，采用如图5(a)所示的T型开关布局[3]。通过闭合开关K3，断开开关K1,K2，T型开关将流过杂散电容Coff3的干扰电流导入地，从而完全隔断干扰电流。在T型开关闭合和断开状态下，各子开关工作状态如表1所示。

在ECT系统中，每个极板需连接两个开关模块。为确保测量电路不受干扰电流的影响，开关模块都应选用T型开关，这就构成了极板的双T型开关布局，如图5(b)所示。

图5　T型开关Fig 5　T type switch

T型开关状态K1K2K3闭合闭合闭合断开断开断开断开闭合

2.3大尺度传感器内噪声干扰的抑制

为了提高大尺度传感器中心区域敏感场强度，采用双极板激励策略[4]。该策略利用相邻两极板作为激励极板而其他极板作为检测极板，其一组数据所包含的电容个数为

M=N×(N-2)

(1)

式中N为传感器极板个数。当传感器极板数为8时，每帧电容测量数为48。

在采用单极板和双极板激励策略的条件下，大尺度传感器在不同位置(如图2(a)所示)的敏感场强度对比如图6所示。采用上述抗测量干扰方法的基于大尺度传感器的ECT系统测量电路结构框图如图7所示。

图6　不同激励策略下的敏感场强度对比Fig 6　Comparison of strength of sensitive field with different excitation strategy

图7　采用抗干扰方法的ECT系统结构框图Fig 7　Structure block diagram of ECT system using anti-interference method

3　实验结果

为了验证所提方法的有效性，采用表2所示的四种电容测量电路配置方案进行对比实验。在激励频率为300 kHz，幅度为25 Vp-p，电缆长度为3.9 m，传感器极板数为8、直径为2 m的实验条件[5]下，不同配置的测量电路在不同极板组合情况下的输出信噪比[6](SNR)由如式(2)

(2)

表2　测量电路配置方案

图8　不同配置方案下系统输出信噪比Fig 8　SNR of system output with different configuration schemes

图9　系统输出波动与时间的关系Fig 9　Relationship between system output fluctuation and time

在常温下，对采用方案一配置的测量电路的输出稳定性进行测试。在10 h内每隔30 min对输出值采样一次，将采样值和本体电容值比较。经计算，采用方案一配置的测量电路在10 h内的测量值标准差为0.132 fF，即测量电路的输出波动较小[7]，可见，采用抗干扰方法的基于大尺度传感器的ECT系统测量电路具有较好的稳定性。

4　结　论

针对基于大尺度传感器的ECT系统测量电路提出了一种抗干扰的方法。该方法采用等电位驱动电缆内屏蔽技术和双T型模拟开关抑制了杂散电容的较强测量干扰；采

用双极板激励策略抑制了大尺度传感器引入的噪声干扰。实验结果表明:采用该方法的电容测量电路的输出信噪比为57 dB，10 h内的测量值标准差为0.132 fF，可见，该电路抗干扰能力较强，稳定性较好，具有较广阔的工业应用前景。

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

[2]Sun Jiangtao,Yang Wuqiang.Fringe effect of electrical capacitance and resistance tomography sensors[J].Measurement Science & Technology,2013,24:464-475.

[3]Yang Wuqiang,York T.New AC-based capacitance tomography system[J].Measurement and Technology,1999,146:47-53.

[4]Ye Jiamin,Wang Haigang, Yang Wuqiang. Characterization of electrical capacitance tomography sensors with different dia-meter[J].IEEE Sensors Journal,2014,14:2240-2251.

[5]Yang Wuqiang.Design of electrical capacitance tomography sensors[J].Measurement Science & Technology,2010,21:447-453.

[6]Hu Xiao,Yang Wuqiang.Design of a data acquisition and function generation unit with USB[J].Measurement Science & Technology,2006,17:17-23.

[7]Yang Wuqiang,Stoot A,Beak M.High frequency and high resolution capacitance measuring circuit for process tomography[J].Circuits,Devices and Systems,1994,141:215-219.

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

国家自然科学基金资助项目(61362025)

TP 216.1

B

1000—9787(2016)08—0024—03

赵进创(1968-)，男，广西南宁人，博士研究生，教授，主要研究方向为电学成像技术、嵌入式技术。

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