基于大尺度傳感器的電容測量電路抗干擾方法*

趙進創， 王　祎， 傅文利， 鄒星星

(廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004)

?

基于大尺度傳感器的電容測量電路抗干擾方法*

趙進創， 王祎， 傅文利， 鄒星星

(廣西大學 計算機與電子信息學院，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)系統的電容測量電路中的較強測量干擾，在分析了測量電路中單屏蔽同軸電纜和模擬開關雜散電容測量干擾產生機理的基礎上，設計了能抗雜散電容的基于等電位驅動電纜內屏蔽技術和雙T型模擬開關陣列的大尺度傳感器電容層析成像系統測量電路，同時，為了提高測量電路輸出信噪比，在測量過程中采用雙極板激勵策略增強大尺度傳感器內敏感場強度。經實驗測量，采用該抗干擾方法的電容測量電路的輸出信噪比為56.8 dB，10 h內測量值標準差為0.132 fF。可見，該電路抗雜散電容干擾能力較強，輸出信噪比較高，穩定性較好。

電容層析成像； 大尺度傳感器； 雜散電容； 等電位驅動； 雙T型模擬開關陣列； 雙極板激勵

0　引　言

電容層析成像(electrical capacitance tomography,ECT)技術是一種可對封閉管道或容器內的多相流進行可視化監測的技術，其因具有非侵入、成本低、耐高溫和結構簡單等優點而被廣泛應用于工業生產過程可視化監測。目前，大部分工業ECT系統均基于小尺度傳感器(直徑為5～20 cm)來設計，而對于大尺度容器，如煮糖罐(直徑為1～3 m)，現有系統無法對其內部蔗糖晶體溶液進行可視化監測，因此，有必要設計基于大尺度傳感器的ECT系統。

在設計基于大尺度傳感器的ECT系統時，抑制雜散電容對電容測量電路的干擾是一個十分關鍵的問題。由于設計并制作的ECT傳感器尺度較大(直徑為2 m)，導致連接傳感器極板和電容測量電路的同軸電纜較長(一般為4 m左右)，寄生的雜散電容較大(100 pF/m[1])，電容測量電路受到較強干擾；另一方面，由于控制傳感器極板工作狀態的模擬開關在斷開時存在雜散電容(即關斷電容)，測量電路的精度也受到了影響，因此，有必要對基于大尺度傳感器的電容測量電路的抗干擾硬件進行設計。

1　電容測量電路中的干擾產生機理

1.1單屏蔽同軸電纜的雜散電容測量干擾

在ECT系統中，連接傳感器極板和測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，導致兩者之間存在等效雜散電容。由于大尺度傳感器ECT系統的同軸電纜較長，導致雜散電容較大，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，實際流入電容測量電路的電流I1小于待測電容Cx的檢測電流I，同時，由于雜散電容Cs受外界因素影響(如電纜的晃動)存在隨機波動，導致電流I1波動較大。因此，系統測量受到了同軸電纜雜散電容的干擾。

1.2模擬開關的雜散電容測量干擾

在ECT系統中，模擬開關通過聯通和斷開信號路徑來對極板工作狀態進行選擇，因此，選用的開關須具備良好的信號阻隔能力。然而，由于普遍采用的單模擬開關斷開時存在雜散電容Coff(如圖1(b)所示)，一部分激勵電流Ie1,Ie2通過該電容流入電容測量電路，導致電容測量電路實際檢測到的電容是待測電容Cx與雜散電容Coff1,Coff2的并聯值，因此，系統測量受到了模擬開關雜散電容的干擾。

圖1　雜散電容測量干擾的產生Fig 1　Generation of stray capacitance measuring interference

1.3大尺度傳感器的噪聲干擾

在設計直徑為2 m的大尺度傳感器的過程中，在考慮了邊緣效應[2]的情況下，選擇長為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，采用軸向屏蔽層來消除外界電磁干擾。

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

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

由圖2(b)可知，對于大尺度傳感器而言，傳統的單極板激勵策略會導致傳感器中心區域敏感場強度大幅下降。敏感場強度的下降會導致輸出測量信號幅度減小，從而使得測量電路輸出信噪比降低。

2　抗電容測量電路中干擾的方法

2.1同軸電纜雜散電容測量干擾的抑制

通過對單屏蔽同軸電纜雜散電容測量干擾產生機理的分析，采用等電位驅動電纜內屏蔽技術抑制其干擾。如圖3所示，該技術采用雙屏蔽同軸電纜和等電位電纜驅動電路。在輸入電流I3近似為0 A的情況下,等電位電纜驅動電路實時重建芯線電壓波形并將其作用于雙屏蔽同軸電纜的內屏蔽層，確保內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，電纜外屏蔽層接地，抑制外界電磁干擾。

圖3　等電位驅動電纜屏蔽層技術Fig 3　Equipotential drive cable technologies

等電位電纜驅動電路原理圖如圖4所示。由圖可知，該電路前級為采用OPA627構成的電壓跟隨器。由于該運放輸入電阻較大，因此可以認為輸入電流I3近似為0。電路的后級為采用OPA627構成的電壓微調電路。電阻R3用來防止電纜驅動電路產生自激。

圖4　等電位電纜驅動電路Fig 4　Equipotential cable drive circuit

2.2模擬開關雜散電容測量干擾的抑制

為了抑制模擬開關的雜散電容干擾，采用如圖5(a)所示的T型開關布局[3]。通過閉合開關K3，斷開開關K1,K2，T型開關將流過雜散電容Coff3的干擾電流導入地，從而完全隔斷干擾電流。在T型開關閉合和斷開狀態下，各子開關工作狀態如表1所示。

在ECT系統中，每個極板需連接兩個開關模塊。為確保測量電路不受干擾電流的影響，開關模塊都應選用T型開關，這就構成了極板的雙T型開關布局，如圖5(b)所示。

圖5　T型開關Fig 5　T type switch

T型開關狀態K1K2K3閉合閉合閉合斷開斷開斷開斷開閉合

2.3大尺度傳感器內噪聲干擾的抑制

為了提高大尺度傳感器中心區域敏感場強度，采用雙極板激勵策略[4]。該策略利用相鄰兩極板作為激勵極板而其他極板作為檢測極板，其一組數據所包含的電容個數為

M=N×(N-2)

(1)

式中N為傳感器極板個數。當傳感器極板數為8時，每幀電容測量數為48。

在采用單極板和雙極板激勵策略的條件下，大尺度傳感器在不同位置(如圖2(a)所示)的敏感場強度對比如圖6所示。采用上述抗測量干擾方法的基于大尺度傳感器的ECT系統測量電路結構框圖如圖7所示。

圖6　不同激勵策略下的敏感場強度對比Fig 6　Comparison of strength of sensitive field with different excitation strategy

圖7　采用抗干擾方法的ECT系統結構框圖Fig 7　Structure block diagram of ECT system using anti-interference method

3　實驗結果

為了驗證所提方法的有效性，采用表2所示的四種電容測量電路配置方案進行對比實驗。在激勵頻率為300 kHz，幅度為25 Vp-p，電纜長度為3.9 m，傳感器極板數為8、直徑為2 m的實驗條件[5]下，不同配置的測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　測量電路配置方案

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

圖9　系統輸出波動與時間的關系Fig 9　Relationship between system output fluctuation and time

在常溫下，對采用方案一配置的測量電路的輸出穩定性進行測試。在10 h內每隔30 min對輸出值采樣一次，將采樣值和本體電容值比較。經計算，采用方案一配置的測量電路在10 h內的測量值標準差為0.132 fF，即測量電路的輸出波動較小[7]，可見，采用抗干擾方法的基于大尺度傳感器的ECT系統測量電路具有較好的穩定性。

4　結　論

針對基于大尺度傳感器的ECT系統測量電路提出了一種抗干擾的方法。該方法采用等電位驅動電纜內屏蔽技術和雙T型模擬開關抑制了雜散電容的較強測量干擾；采

用雙極板激勵策略抑制了大尺度傳感器引入的噪聲干擾。實驗結果表明:采用該方法的電容測量電路的輸出信噪比為57 dB，10 h內的測量值標準差為0.132 fF，可見，該電路抗干擾能力較強，穩定性較好，具有較廣闊的工業應用前景。

[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

國家自然科學基金資助項目(61362025)

TP 216.1

B

1000—9787(2016)08—0024—03

趙進創(1968-)，男，廣西南寧人，博士研究生，教授，主要研究方向為電學成像技術、嵌入式技術。

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