CN100394202C - 高压交流激励法微小电容测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压交流激励法电容测量电路，该电路由高频高压激励电压产生及幅度控制部分所构成的激励电路和电容检测电路两部分构成。其中激励电路包括交流信号源、压控放大电路、功率放大器以及激励电压幅值检测及控制电路；电容检测电路包括变压器比例电桥电路、交流放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路以及直流放大电路。本发明为激励电压可达1000V的交流高频信号；同时利用激励电路的升压变压器与待检测电容和平衡电容一起构成了一个变压器比例电桥。平衡电容的引入不仅可使被测电容的本体电容被平衡掉，使电路尽可能地检测放大电容的变化量，从而提高电容的检测范围和灵敏度，而且可抑制激励电源的电压波动。

Description

高压交流激励法微小电容测量电路

技术领域

本发明涉及一种用于微小电容测量的电路，比如应用于电容层析成像系统中的微小电容检测。

背景技术

目前，在微小电容的测量电路领域，尤其是用于电容层析成像系统中的微小电容检测电路方面，经常使用的电路主要有两大类，一类是基于电容的充放电原理构成的检测电路，另一基于交流信号激励的交流法电容测量电路。上述的两种电容测量技术，都具备抗杂散电容的功能，但由于所采用的激励信号幅值都较低(一般不超过20V)，限制了电容检测电路灵敏度的进一步提高；这样的低电压电容激励检测电路一般对电容传感器极板的尺寸和空间间距都有要求，因为过小的电容极板面积和过大的极板间距离将导致电容容量太小而难以检测。因此这样的电路一般仅适用于一些小型对象的电容检测，如直径较小多相流管道中的截面介质分布测量等。此外国外有人提出了高压双边激励微小电容测量电路，这是一种工作在400KHz，用250V的电压双边激励待测电容的两个极板(两个极板的激励电压反相)，用等电位驱动技术实现抗杂散电容的功能；这种电路应用于直径6英寸的流化床介质密度分布测量实验系统，其主要的问题在于抗杂散的等电位驱动技术对于大型设备是难以实现的，而且也是不安全的。

目前大型的工业对象(一般直径在几米至十几米以上，如炼铁高炉、储粮粮仓等对象)检测领域还没见类似的应用，对于大型的工业对象内的介质分布的测量，需要更高的激励电压以提高灵敏度和分辨率。

发明内容

本发明提供一种高压交流激励法电容检测电路，该电路提高了用于电容检测的激励电压，使激励电压提高到1000V(或更高)；同时，在本发明中使用了变压器比例电桥技术，利用激励电路的升压变压器与待检测电容和平衡电容一起构成了一个变压器比例电桥。平衡电容的引入不仅可以将待检测电容的本体电容平衡掉，使电路有效地检测到电容的变化量，从而提高电容检测的灵敏度以及分辨率，而且可以抑制激励电源的电压波动给测量带来的影响；通过对平衡电容的改变就可以调整微小电容的测量范围。本发明适合需要微小电容测量的场合，尤其是大型的工业设备上。

本发明的技术方案如图1所示，所发明电路由高频高压激励电压的产生及其幅度控制部分所构成的激励电路系统和电容检测电路系统两部分构成。

激励电路系统包括交流信号源、压控放大电路、功率放大器、升压变压器以及激励电压幅值检测及控制电路构成的高频高压信号的产生、放大、幅值控制电路等。其连接关系是，交流信号源产生高频交流信号经压控电路放大和功率放大器放大、送至升压变压器升压后加到电容传感器的激励极板上；升压变压器次级由升压绕组和平衡反馈绕组两个绕组组成，平衡反馈绕组将平衡反馈电压信号送至激励电压幅值检测电路，将激励信号转换为直流电压信号并与给定的直流电压信号比较，比较后的差值送至激励电压幅值控制电路产生压控放大电路的增益信号，控制激励电平的幅值。

电容检测电路系统包括比例电桥检测电路、交流放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路、直流放大电路等。

比例电桥检测电路由升压变压器、平衡电容、检测电容、运算放大器组成，其原理见图4所示，激励变压器的高压绕组激励待测电容与平衡反馈绕组激励的平衡电容在放大器的反相输入端相减后放大，放大器的输出可由下述方程计算：

$V_o=-\frac{\mathrm{j\ω}{R}_f(E_o{C}_x-E_b{C}_b)}{1+\mathrm{j\ω}{C}_f{R}_f}\·\·\·1$

式中：V_o——放大器输出，

R_f、C_f——放大器的反馈电阻和反馈电容，

E_o、E_b——激励电压和平衡电压，

C_x、C_b——待测电容和平衡电容，

ω——工作频率；

考虑到C_x＝C_x0+ΔC

式中：C_x0——本体电容，

ΔC——电容变化量。

令E_oC_x0＝E_bC_b，所以方程1可以写成如下的形式：

$V_o=-\frac{\mathrm{j\ω}{E_{o}R}_f}{1+\mathrm{j\ω}{C}_f{R}_f}\mathrm{\ΔC}\·\·\·2$

由方程2可以看出比例电桥检测电路将被测电容的变化量转换成为交流信号的幅值变化量，放大器的输出的幅值与电容的变化量成正比。其灵敏度与激励电压幅度E_o成正比。改变平衡电容就可以改变电路的测量范围，平衡电容是根据被测电容的结构参数和被测介质通过试探法预先确定的。

电容检测电路系统连接关系是高压激励电压和平衡电压分别激励被测电容和平衡电容，经过比例电桥运算后输出的信号经交流放大器放大后送相敏检波器检波，提取出与电容变化量有关的交流信号幅度信息。相敏检波由乘法器构成，其一个输入端输入交流检测信号(即交流放大器的输出)，其另一个输入端输入检波参考信号；检波参考信号是平衡反馈信号经两级交流放大器处理后得到的固定幅值和相位的交流信号。激励电压与平衡反馈电压反相，当平衡电容与平衡电压的乘积大于被测电容与激励电压的乘积时，相敏检波电路的X输入端和Y输入端同相，检波后所的直流信号为正；反之，当平衡电容与平衡电压的乘积小于被测电容与激励电压的乘积时，相敏检波电路的X输入端和Y输入端反相，所得直流信号为负。相敏检波输出的直流信号和高频交流信号经低通滤波器滤波后经过直流放大器放大，所得到的直流信号既可反映出电容变化量。可以根据式C_x0＝E_bC_b/E_o计算出本体电容的大小后再加上(或减去)电容的偏差量即可得到被测电容值。

由于电路采用了放大器同相端接地的反相输入信号放大形式，因此对于检测极板侧的杂散电容具有很好的抑制作用，而激励端的杂散电容不影响测量。

经过比例电桥检测电路处理的电容变化信号通过交流放大器放大，经相敏检波器检波、低通滤波器滤波，即得到一个能够反映待测电容变化的直流信号。

本发明的有益效果是，通过高压交流激励提高了电容检测的灵敏度，并扩大了电容的检测范围；对于电容层析成像而言，由于提高了激励电压，可通过增加电容传感器极板的个数，提高电容成像质量。

附图说明

图1为本发明的电路结构框图；

图2为本发明的交流信号源的电路原理图；

图3为本发明的激励电压幅值压控放大电路原理图；

图4为本发明的功率放大器原理电路图；

图5(a)为激励电压幅值控制电路及给定电压V_z，(b)激励电压幅值检测电路；

图6为本发明的变压器比例电桥测量电容原理图；

图7为本发明的交流放大电路原理图；

图8为本发明的相敏检波电路原理图；

图9为本发明的低通滤波电路原理图；

图10为本发明的直流放大电路原理图；

图11为本发明的激励电路系统原理图；

图12为本发明的电容检测电路系统原理图。

具体实施方式

本发明的电路结构，如图1所示，由激励电路和电容检测电路两部分构成。

激励电路系统包括交流信号源、压控放大电路、功率放大器、升压变压器以及激励电压幅值检测及控制电路，其电路原理如图11所示，交流信号源MAX038的19管脚通过一可变电阻连接到幅值压控放大电路的AD534的6管脚，激励电压幅值控制电路的OP07的6管脚连接到AD534的1管脚，OP07的2管脚通过可变电阻P9、电阻R15连接到AD534的1管脚；由+15V电源R12和稳压二极管D4产生给定电压V_E，通过R12加在OP07的3管脚；AD534的12管脚通过R3连接到功率放大器的前置放大器OPA637的2管脚，OPA637的3管脚接地，OPA637的6管脚接Rf2反馈到2管脚，同时6管脚接由分立元器件构成的电压、功率放大器的输入端C63、C62、R5、R6的汇接点。功率放大器的输出端(R10、R11的汇接点)连接到变压器的初级线圈，升压变压器的高压绕组将变压器的输入信号升至1000V接被测电容的激励极板；变压器平衡反馈绕组连接到激励电压幅值检测电路的二极管D3的阳极，同时D3的阴极接可变电阻R7，R7中心抽头作为激励电压幅值检测电路的输出，经R14接激励电压幅值控制电路的OP07的2管脚；变压器平衡反馈绕组同时送电容检测电路系统，如图11所示。

激励电路系统的信号传递关系为，由MAX038构成的交流信号源产生正弦信号E_s(100～500KHz、幅值3V)(如图2示)，该信号经过由AD534乘法器构成的压控放大电路(如图3所示)，此控制电路输出为V_o1＝E_c×E_s/0.1V(E_c为直流控制电压，由激励电压控制电路产生)。V_o1经OPA637集成运算放大器和分立元件构成的功率放大器(如图4所示)放大到100V以驱动升压变压器。升压变压器高压绕组将信号升压至1000V，用于激励待测电容的激励极板；升压变压器的平衡反馈绕组产生激励电压与由D4产生的给定电压V_Z比较检测信号，经过整流、滤波、分压后送稳幅控制器产生E_c送压控放大电路调整激励电压幅值。

电容检测电路系统包括比例电桥检测电路、交流放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路以及直流放大电路，如图12所示。其电路连接是升压变压器高压输出接被测电容的激励极板，被测电容的检测极板连接到比例电桥检测电路的放大器U1(OPA637)的2管脚，升压变压器的平衡反馈绕组输出端E_b端经平衡电容也连接到放大器U1(OPA637)的2管脚；U1的6管脚经C30、R30连接到交流放大器U3(OPA637)的输入端；U3的6管脚连接到相敏检波器U43(AD534)的1管脚，升压变压器的平衡反馈绕组输出端E_b端经电容C21连接到另一电路放大器U21(OPA637)的2管脚，U21的6管脚经C24、R21连接到交流放大器U22(OPA637)输入端2管脚，U22的6管脚连接到相敏检波器U43(AD534)的6管脚；相敏检波器U43的11、12管脚连接到第一级低通滤波器的R51的一端，第一级低通滤波器U51(OP37)的6管脚连接到第二级低通滤波器的R53一端；第二级低通滤波器U52(OP37)的6管脚接至直流放大器的输入端即前置差分放大器U6(IN105)的3管脚，U6的2管脚接电位器P62的中间抽头、P62与稳压管D61并联，一端接地，另一端经R61接+15V电源，U6的6管脚经R131接直流放大器的程控增益放大器U13的8管脚，U13(PGA202)的1，2管脚分别接单刀双掷开关S1和S2，U13的12管脚接下一级程控增益放大器U14(PGA203)的8管脚，U14的1、2管脚分别接单刀双掷开关S3和S4，U14的12管脚即电容检测最后输出端。

电容检测电路系统的各部分原理及信号传递关系如下：

比例电桥检测电路原理如图6所示，C_s1、C_s2、C_s3分别为高压激励侧杂散电容、平衡反馈绕组杂散电容、检测端杂散电容，C_x为被测电容，C_b为平衡电容。其中由于检测端虚地而具备抗检测端杂散电容能力。而Cs1、Cs2对测量无影响，电路的输出为：

$V_o=-\frac{\mathrm{j\ω}{E}_o{R}_f}{1+\mathrm{j\ω}{C}_f{R}_f}\mathrm{\ΔC}.$

如图7所示，交流放大器为运算放大器构成的带通滤波器。其输入为比例电桥检测电路的检测信号，其输出给相敏检波电路的输入端。

相敏检波电路如图8所示，主要由乘法器AD534构成，其X输入端与检测信号的交流放大器输出相连；其Y输入端是与参考信号交流放大器的输出相连，参考交流放大器参数与检测电路相同，目的是补偿由E_b取得的参考信号与检测信号的相位偏移。假设激励电压E_o与平衡电压E_b反相，X输入端信号，

。当平衡电容与平衡电压的乘积大于被测电容与激励电压的乘积时，

，此时检波器的输出为 $V_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{AB}}{2S}[1+\cos 2(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})],$ 经低通滤波后得到正电压，将该电压对应的电容量去减平衡电容

既得到实际的电容值。反之当平衡电容与平衡电压的乘积小于待测电容与激励电压的乘积时，，此时检波器的输出为

经低通滤波后得到负电压，此时实际的电容值应为平衡电容加上检测到的电容偏差量。

低通滤波器如图9所示，将检波器输出的高频信号衰减。将直流信号送直流放大器进行放大。

直流放大电路如图10所示，由差分调零电路、程控增益放大电路两部分组成。差分调零电路由INA105、精密稳压管D61、分压电位器组成，用于电路校准时零点的调整。程控增益放大电路由PGA202、PGA203和开关组S1～S4组成，可完成1、2、4、8、10、20、40、80、100、200到最大8000等16种不同放大增益。直流放大器的输出代表待测电容与平衡电容的偏差数值，可以在进一步标定后直接显示或根据需要送计算机进行进一步的数据处理。

Claims (4)

1.一种高压交流激励法微小电容测量电路，其特征在于由激励电路和电容检测电路两部分构成，激励电路包括交流信号源、压控放大电路、功率放大器、升压变压器以及激励电压幅值检测及控制电路；交流信号源产生高频交流信号经压控放大电路放大后送功率放大器放大、升压变压器升压后送被测电容的激励极板；升压变压器次级由高压升压绕组和平衡反馈绕组两个绕组组成，平衡反馈绕组将平衡反馈电压信号送激励电压幅值检测电路将激励信号转换为直流电压信号与给定的直流电压信号比较，其差值送激励电压幅值控制电路产生压控放大电路的增益信号，控制激励电平幅值稳定；电容检测电路包括比例电桥检测电路、交流放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路以及直流放大电路，由比例电桥检测电路输出的信号经交流放大器放大后送相敏检波器检波，提取出与电容变化量有关的交流信号幅度信息，相敏检波由乘法器构成，其一个输入端输入交流检测信号即交流放大器的输出，其另一个输入端输入检波参考信号；检波参考信号是平衡反馈信号经两级交流放大器处理后得到的固定幅值和相位的交流信号，激励电压与平衡反馈电压反相，当平衡电容与平衡电压的乘积大于被测电容与激励电压的乘积时，相敏检波电路的X输入端和Y输入端同相，检波后所得直流信号为正；反之，当平衡电容与平衡电压的乘积小于被测电容与激励电压的乘积时，相敏检波电路的X输入端和Y输入端反相，所得直流信号为负，相敏检波输出的直流信号和高频交流信号经低通滤波器滤波后经过直流放大器放大，所得到的直流信号既可反映出电容变化量，被测电容值可以根据下式计算出本体电容的大小后再加上或减去电容的偏差量既可，

C_xo＝E_bC_b/E_o

式中：C_xo——本体电容，

E_b——平衡电压，

E_o——激励电压，

C_b——平衡电容。

2.根据权利要求1所述的高压交流激励法微小电容测量电路，其特征在于所述比例电桥检测电路由激励变压器、平衡电容、检测电容、运算放大器组成，激励变压器的高压绕组激励待测电容与低压绕组激励的平衡电容在放大器的反相输入端相减后放大，放大器的输出可由下述方程计算：

$V_o=-\frac{\mathrm{j\ω}{E}_o{R}_f}{1+\mathrm{j\ω}{C}_f{R}_f}\mathrm{\ΔC}$

式中：V_o——放大器输出，

R_f、C_f——放大器的反馈电阻和反馈电容，

E_o——激励电压，

ω——工作频率；

ΔC——电容变化量。

3.根据权利要求1所述的高压交流激励法微小电容测量电路，其特征在于激励电路包括交流信号源、压控放大电路、功率放大器、升压变压器以及激励电压幅值检测及控制电路，交流信号源MAX038的19管脚通过一可变电阻连接到幅值压控放大电路的AD534的6管脚，激励电压幅值控制电路的OP07的6管脚连接到AD534的1管脚，OP07的2管脚通过可变电阻P9、电阻R15连接到AD534的1管脚；由+15V电源R12和稳压二极管D4产生给定电压VE，通过R12加在OP07的3管脚；AD534的12管脚通过R3连接到功率放大器的前置放大器OPA637的2管脚，OPA637的3管脚接地，OPA637的6管脚接Rf2反馈到2管脚，同时6管脚接由分立元器件构成的电压、功率放大器的输入端C63、C62、R5、R6的汇接点；功率放大器的输出端连接到变压器的初级线圈，变压器平衡反馈绕组连接到激励电压幅值检测电路的二极管D3的阳极，同时D3的阴极接可变电阻R7，R7中心抽头作为激励电压幅值检测电路的输出，经R14接激励电压幅值控制电路的OP07的2管脚；升压变压器的高压绕组将变压器的输入信号升至1000V接被测电容的激励极板；同时送电容检测电路系统，激励电路由MAX038构成的信号发生器产生正弦信号E_s，该信号经过由AD534乘法器构成的压控放大电路，此控制电路输出为＝其中E_c为直流控制电压，由激励电压控制电路产生，V_o1由OPA637集成运算放大器和分立元件构成的功率放大器，放大到100V以驱动升压变压器，升压变压器高压绕组将信号升压至1000V，用于激励待测电容的激励极板；升压变压器的平衡反馈绕组产生激励电压与由D4产生的给定电压V_Z比较检测信号，经过整流、滤波、分压后送稳幅控制器产生E_c送压控放大电路调整激励电压幅值。

4.根据权利要求1所述的高压交流激励法微小电容测量电路，其特征在于电容检测电路包括比例电桥检测电路、交流放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路以及直流放大电路，其电路连接，升压变压器高压输出接被测电容的激励极板，被测电容的检测极板连接到比例电桥电路的放大器U1的2管脚，U1的6管脚经C30、R30连接到交流放大器U3的输入端，U3的6管脚连接到相敏检波器U43的1管脚；升压变压器的平衡反馈绕组输出端E_b端经电容C21连接到另一电路放大器U21的2管脚，U21的6管脚经C24、R21连接到交流放大器U22输入端2管脚，U22的6管脚连接到相敏检波器U43的6管脚，相敏检波器U43的11、12管脚连接到第一级低通滤波器的R51的一端，第一级低通滤波器U51的6管脚连接到第二级低通滤波器的R53一端，第二级低通滤波器U52的6管脚接至直流放大器的输入端即前置差分放大器U6的3管脚，U6的2管脚接电位器P62的中间抽头、P62与稳压管D61并联，一端接地，另一端经R61接+15V电源，U6的6管脚经R131接直流放大器的可变增益放大器U13的8管脚，U13的1，2管脚分别接单刀双掷开关S1和S2，U13的12管脚接下一级可变增益放大器U14的8管脚，U14的1、2管脚分别接单刀双掷开关S3和S4，U14的12管脚即电容检测最后输出端。

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