三電極差分電容式PCB用于通道內流體空隙率檢測

朱偉民　佟仕忠

摘 要： 為解決血管、輸油管道等密閉通道內流體空隙檢測問題，提出一種三電極差分電容式檢測方法，該方法是基于電容器印刷電路板（PCB）進行設計實現。當空氣泡等空隙存在于密閉通道時，傳感器的電容會因此發生變化。基于此原理，利用差分電容放大器、鎖相放大器、濾波器和一個數據采集卡進行電容變化的監測，電極采用自印刷電路板表面頂部至底部的銅質結構，塑料管通過電容傳感器布局并垂直于印刷電路板表面。流體空隙體積會對輸出電壓產生影響，根據三電極電位電壓間信號的不平衡，檢測出液體內部氣泡，并在計算機上對檢測到的電容變化信號進行處理和計算，獲取空隙體積、運動速度等數據。這種流體傳感器也可用于醫療設備中空隙率檢測。

關鍵詞： 差分電容放大器； 鎖相放大器； 濾波器； 印刷電路板； 空隙率檢測； 三電極

中圖分類號： TN41?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0130?04

Abstract： To solve the fluid void ratio detection problem in airtight channel， such as blood vessel and oil pipeline， a three electrode differential capacitance detection method is proposed. The method was designed and realized based on capacitor printed circuit board （PCB）. When the air bubbles and other voids exist in the airtight channel， the capacitance of the sensor will change. Based on this principle， the differential capacitor amplifier， phase locked amplifier， filter and a data acquisition card are used to monitor the capacitance changes， the copper structure from top to bottom of the PCB surface is selected as the electrode， and the plastic tube is laid vertical to PCB surface through the capacitance sensor. Since the fluid′s void volume can effect on the output voltage， the bubbles inside the liquid can be detected according to the signal imbalance between the three electrode potential voltage. The detected capacitance change signal is processed and calculated on computer to obtain the data of void volume and velocity. This fluid sensor can be used for void ratio detection in medical facilities.

Keywords： differential capacitance amplifier； phase locked amplifier； filter； PCB； void ratio detection； three electrode

0 引 言

空隙率檢測在精細流量控制、生物醫學等領域起著關鍵性作用[1]。在人體血管內出現氣泡是異常危險的，會出現不可預知的腦栓塞情況，從而導致人員猝死。當人體進行血液透析或靜脈輸液時，血管內有可能會注入空氣，產生氣泡，因此對于血液或輸液管道的氣泡檢測至關重要[2]。

在氣泡檢測中可應用不同的物理原理，最早的氣泡檢測器[3]是由干電池和光源組成，當氣泡經過時，光源會透過血管，以此進行檢測。但是這種裝備的檢測靈敏度不足，當血管壁沉積有大量纖維蛋白時，會阻礙光線通過造成漏檢。此外，環境光線的干擾，也會造成假預警現象存在，雖然后續采用紅外線、X射線等光源[4]對干擾有所抑制，但是由于紅外波問題仍然存在假預警現象。用超聲波[5]檢測流體管內流體空隙是另外一種檢測方法，但是這類方法的實現是非常復雜的。電容式傳感器是一種方便制造和安裝的檢測工具，已在許多領域得到應用研究。例如，文獻[6]對生物化學篩選進行微流控制，從而進行顆粒的合成和化學分析；文獻[7]對液體流量空隙率進行檢測；文獻[8]應用于石油化工領域，管道安全檢測；文獻[9]應用于噴墨管道氣泡檢測領域等。此類應用還有很多，不再一一贅述。

在本文中，利用PCB技術制作三電極管道空隙電容傳感器檢測器，根據氣泡經過時導致的介電常數發生變化從而引起傳感器電容輸出值的變化，對管道液體空隙進行檢測。采用與該電容式傳感器類似結構，只是將尺寸縮小到微米級，可實現對微通道流體空隙檢測。在該研究中，可實現對流體通道的實時監控以檢測流體空隙，并實時對通道流量控制以消除流體空隙。通過對所接收的電容信號進行分析，可對通道流體空隙速度和體積進行估計。這種檢測器具有較高的靈敏度和抗干擾性，可較為簡便地應用于醫學、化工等管道流體空隙監測中。

1 射流電容傳感器PCB設計

1.1 系統設計

電容傳感器電容變化可反映液體內部介電常數和電導率異常，可有效檢測流體通道的變化。對于每種材料不同的液體其介電常數是不同的，因此當液體內部發生變化時（如氣泡），其介電常數和電導率會發生變化，進而會引起電容傳感器電容的變化。這里設計三電極差分電容式印刷電路板用于封閉管道的氣泡檢測。

圖1給出所設計三電極差分電容式PCB外觀，共有兩條流體管道通過PCB板，其中一條作為參考通道，另一條作為檢測通道。圖1中的流體塑料管道，垂直通過PCB板，在測量過程中，參考通道內的流體不發生變化。當在檢測通道內存在空氣氣泡或粒子時，會導致兩相電容不平衡。不平衡電容值與氣泡或顆粒介質與流體體積比例相關。

圖1中的（1）～（3）給出三電極電容器板包圍流體管形狀設計。在同一電路板上制作2個電容傳感器，這種設計可避免使用連接電線，從而減少寄生電容和噪聲問題。該PCB流體電容傳感器適用于亞毫米，毫米以及厘米級直徑的封閉管通道。這種低成本的設計可應用于石油餾分的檢測，透析治療機空氣泡檢測等方面。圖1中的三電極電容布局系統設計結構利用電荷放大器電路對電容變化進行評價。該流體傳感器系統由二個三電極電容器分別作為傳感電容和參考電容。這種雙電容器采用傳統PCB技術進行制造，并利用銅材料結構電路設計電容器電極。

1.2 電容計算

圖2給出了含有球形氣泡的流體通過時的傳感器檢測示意圖。流體和氣泡的電導率分別為[ε1]和[ε2]。通常情況下，盡管輸出電容與氣泡體積、形狀和介電值有關，但是電極[V1]和[V2]間的電容仍可通過經典的電容理論進行計算，從而實現了氣泡檢測的簡化。

式中：[ρS]為表面電荷密度；[εr]為電極間的流體電導率。式（2）表明，輸出電容與流體電導率和電極形狀有關。

當空氣泡出現在檢測電極間時，電容的輸出會發生改變（見圖2（a））。此電容器可簡化為由幾個電容元件組成的等效電路，而其邊緣效應被忽略（見圖2（b））。兩電容組件[Cleft]和[Cright]可利用式（1）進行計算。而中間位置電容[Ccenter]受到氣泡影響，其值的計算非常復雜，在此不再贅述。

2 三電極差分電容電路設計

2.2 差分電容放大電路原理設計

為實現對管道空隙率的有效檢測，采用一種電子電路將電容變化轉換為電壓的變化。通過簡單的功率放大操作，將電容傳感器端的電荷轉換為電壓輸出，如圖5所示。圖5給出一個示例設計，相位為0°和180°的正弦信號分別被用于傳感和參考電容的第1電極處。因此，可利用該電路對共模噪聲進行補償，然后，通過使用運算放大器對差分信號進行放大操作。

可通過檢測傳感器塊輸出電壓直接反映出電容值的變化情況。檢測通道電容值[Cx]和參考通道電容值[Cr]之間的差分值[ΔC，]可根據上述傳感器塊輸出電壓進行估計。

電荷放大器輸出是執行解調及噪聲消除的鎖相放大器輸入，利用該電荷放大器電路，實現模塊與傳感器的連接，完成信號轉換。該模塊使用鋁盒進行電磁屏蔽，由于法拉第效應，會減少噪音干擾，穩定輸出結果。

3 實驗分析

3.1 實驗設置

為了監測電容變化，建立基于差分電容放大器、標準脈沖發生器（HM8030）、鎖相放大器（7220DSP）、過濾器和數據采集卡（DAQ pad?6016）組成的監測系統。函數生成器向電荷放大器模塊提供正弦波信號，并作為鎖相放大器的參考信號。該正弦信號頻率為100 kHz，幅度為3.5 Vpp，由標準脈沖發生器（HM8030）產生，隨后被轉換為[-Vs]和[+Vs]兩個信號，其相位分別為0°和180°。

鎖相放大器的輸出經過數據采集卡到達計算機，然后利用LabVIEW軟件進行處理。設計T型連接器作為特定氣缸用來在流體中產生氣泡或注入粒子。采用高精度儀表精確控制活塞位置，因此，這種結構可在給定時間給出所需體積空氣氣泡。

3.2 氣泡體積對輸出電容影響

圖7給出不同體積空氣氣泡穿過傳感電容時，流量傳感器輸出電壓隨時間的變化情況。氣泡體積變化范圍為[0.1～2.34 mm2。]從圖中可以看出，當氣泡體積為最大[2.34 mm2，]其輸出電壓從283 mV降為228 mV，降幅為52 mV，并且隨著氣泡體積的降低，其對輸出電壓影響程度也在降低，當氣泡體積為最小[0.1 mm2，]其輸出電壓從281 mV降為274 mV，降幅為7 mV。表1給出氣泡體積與電壓幅值和電容變化值間的對應關系。隨著氣泡體積減小，其對輸出電壓影響降低，對電容值影響也隨之降低。根據圖7曲線可近似得出氣泡體積范圍。

3.3 檢測方法對比

從圖8中可以看出，紅外線和超聲波檢測方法對體積較小的氣泡無法識別，即這兩種算法存在較高的靈敏度閾值，其中紅外線方法的靈敏度閾值在0.8 mm2左右，而超聲波方法的靈敏度閾值在0.6 mm2左右，由于氣泡產生設備精度問題，無法對三電極電容檢測的靈敏度閾值進行檢測，但其值應小于0.1 mm2。

4 結 語

針對密閉管道空隙率檢測問題，本文設計實現了一種基于三電極差分電容式檢測方法，通過印刷電路板進行電路實現，并進行了實驗設計。通過與紅外線和超聲波檢測方法進行對比，顯示了所提方法的有效性。但是由于實驗設備問題，并未給出三電極差分電容式檢測方法的靈敏度閾值，并且這種方法在實驗室外條件下的實用性有待進一步研究，比如，管道為金屬管道問題，管道直徑過大問題，不便于假設檢測設備問題等。

參考文獻

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