CN106643929A - 一种基于电荷放大器的静电传感器测量电路 - Google Patents

一种基于电荷放大器的静电传感器测量电路 Download PDF

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王晓蕾
郭志恒
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Abstract

本发明提供了一种基于电荷放大器的静电传感器测量电路，所述静电传感器包括PVC绝缘管、金属屏蔽罩和铜电极环，金属屏蔽罩设于绝缘管外侧，铜电极环设于绝缘管与金属屏蔽罩之间且紧贴于绝缘管外壁，铜电极环通过静电信号引出线依次与前置级电荷放大电路、滤波放大调整电路、数据采集运算上传电路及PC机串联；本发明设计的静电传感器测量电路，不仅能解决微弱静电信号测量问题，且能有效克服电极分布参数的影响，延长电极到前置级放大的引线长度达到几米甚至十几米，本发明设计的测量电路可以应用于环状和插入式两种静电传感器，不受引线长度和静电传感器内阻限制，经实验验证本发明设计的测量电路结构简单、信号提取能力强、工作稳定。

Description

一种基于电荷放大器的静电传感器测量电路
技术领域
本发明涉及静电传感器技术领域，尤其涉及一种基于电荷放大器的静电传感器测量电路。
背景技术
气固两相流是气力传输管道内最常见、最重要的多相流形式之一，由于气固两相流中存在相对速度和界面效应，使得气固两相流测量成为亟待解决的技术问题，静电法由于其测量系统结构简单、具有较高灵敏度为气固两相流参数检测提供了一种实用又有效的检测方法，静电法是利用固相颗粒的荷电性质，通过对静电信号的测量和分析得到两相流参数，由于荷电受到固相颗粒本身物理、化学性质以及温度、湿度等环境条件的影响，其荷电规律复杂，一般的数学公式难以描述，而通过设计合理的静电传感器以及信号放大和处理电路可测得脉动的静电信号，但目前市场上没有完善的静电传感器测量流体参数的装置，通常的测量方法均是从测量方法着手，对于静电传感器应用于气固两相流参数测量而言，静电信号的有效真实提取是关键。
静电传感器一般由敏感元件即传感器电极、绝缘管以及电磁屏蔽罩组成，带电颗粒流经测量电极时，由于静电感应，在电极内外表面产生大小相等、方向相反的电荷，静电传感器敏感元件与接地屏蔽罩处于静电场中，它们之间存在电容和泄漏电阻，在传感器实际输出时，还有电缆分布电容、放大器的输入阻抗、输入电容等损耗，从静电传感器等效电路可知，静电传感器的输出信号是其对地电容上的感应电荷，并在其上建立电压，输出信号极其微小，但泄漏电阻却较大，因此静电传感器要求前置放大器电路作为接口电路。
静电传感器有两种信号检测电路，电压放大器和电荷放大器，一般采用电荷放大器形式，将传感器上游和下游两路微弱信号放大，然后通过同轴电缆传送到数据采集卡，最后在PC机的数据采集系统中进行数据处理。由于静电传感器输出感应电荷信号是一种低频的微弱信号，为了减少静电传感器输出端与放大器输入端之间分布电容的影响和外界干扰，一般将电荷放大电路设成前置放大器且放置在静电传感器附近，以对静电传感器信号源起到阻抗匹配和初步的电荷放大功能。
传感器当前静电传感器测量电路采用高阻抗放大器作为跟随器进行阻抗变换，且静电信号的获取是通过场效应管或者高输入阻抗的运算放大器来分得电压，但利用高输入阻抗的运算放大器只能分得静电信号的一部分，有很大一部分静电信号消耗在其本身内阻上，而且因受其自身分布电容、电阻影响很大，而且因前置级放大器必须安装在静电传感器附近，静电传感器电极和前置级放大的连接引线不能过长。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于电荷放大器的静电传感器测量电路，不仅能有效提取气固两相流在静电传感器上感应出的微弱静电信号，解决微弱静电信号测量问题，且能有效克服电极分布参数的影响，延长电极到前置级放大的引线长度达到几米甚至十几米，本发明设计的测量电路可以应用于环状和插入式两种静电传感器，经实验验证本发明设计的测量电路结构简单、信号提取能力强、工作稳定。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于电荷放大器的静电传感器测量电路，包括静电传感器，所述静电传感器包括PVC绝缘管、金属屏蔽罩和铜电极环，所述PVC绝缘管内充有物料颗粒，所述金属屏蔽罩设于绝缘管外侧，所述铜电极环设于绝缘管与金属屏蔽罩之间且紧贴于绝缘管外壁，所述铜电极环通过静电信号引出线依次与前置级电荷放大电路、滤波放大调整电路、数据采集运算上传电路及PC机串联；所述前置级电荷放大电路包括直流电源、第一电阻、第二电阻、反馈电阻、第一电容、第二电容、反馈电容和电荷运算放大器插座，所述第一电容、第一电阻、第二电容和第二电阻依次并联后与直流电源连接，所述电荷运算放大器插座包括静电信号输入接线端、接地屏蔽端和静电信号输出端，所述第二电阻一端与所述静电信号输入接线端连接，另一端与所述接地屏蔽端连接，所述反馈电阻与反馈电容并联后一端与所述静电信号输入接线端连接，另一端与所述静电信号输出端连接；所述滤波放大调整电路包括依次串联的跟随器、陷波器、滤波器、程控放大电路和量程调整电路。
所述第一电阻和第一电容分别表示传感器探头的等效电阻和等效电容，所述第二电阻和第二电容分别表示前级放大器的等效输入电阻与输入电容，所述前置级电荷放大电路的作用是提取微弱的静电信号，将微弱的静电电流信号转换为电压信号以便于滤波放大调整电路使用；所述滤波放大调整电路是将前置级得到的信号进行滤波、放大、电平调整，滤波是滤除杂波和干扰波，放大是将前置级电压进行放大，并将电平调整为正电压以便于数据采集运算上传电路使用；所述数据采集显示上传电路的作用是将模拟的静电信号转换为数字信号作为计算、显示和分析的样本。
进一步的，所述直流电源供电电压为±15V。
进一步的，所述电荷运算放大器插座的型号为AD549。
进一步的，所述跟随器包括型号为OPA129的放大器。
进一步的，所述陷波器采用双T型有源陷波器，所述双T型有源陷波器是由4个电阻和4个电容组成的双对称电路。
进一步的，所述滤波器是截止频率为1kHz的低通滤波器，所述低通滤波器由两个一阶低通滤波器串联构成。
进一步的，所述程控放大电路采用增益可调的PGA放大电路，其增益可通过PGA芯片管脚控制。
进一步的，所述量程调整电路采用放大器组成的加法电路，并与所述数据采集运算上传电路相连，将电压进行量程转换后为所述数据采集运算电路提供0～2.5V的信号电压。
进一步的，所述数据采集运算上传电路包括ARM(LPC2468)单片机、四个传输通道、片外SRAM数据存储器、总线和LED显示器，所述ARM单片机通过总线分别与四个传输通道、片外SRAM数据存储器和LED显示器相连，用于将采集到的模拟静电信号转换为数字信号，所述总线采用RS485或RS232，所述总线与PC机相连用于将采集到的静电信号上传到PC机中，所述四个传输通道CH1，CH2，CH3，CH4可以同时采集四路经滤波放大的静电信号，LED显示器可以在单片机上显示测量计算结果。
本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明设计了一种新型的静电传感器测量电路，不仅能有效提取气固两相流在静电传感器上感应出的微弱静电信号，解决微弱静电信号测量问题，且能有效克服电极分布参数的影响，延长电极到前置级放大的引线长度达到几米甚至十几米，本发明设计的测量电路可以应用于环状和插入式两种静电传感器，不受引线长度和静电传感器内阻的限制，经实验验证本发明设计的测量电路结构简单、信号提取能力强、工作稳定。
附图说明
图1是静电传感器系统原理框图；
图2是前置级电荷放大器等效电路原理图；
图3是滤波放大调整电路结构框图；
图4是双T型有源陷波器电路原理图；
图5是量程调整电路原理图；
图6是数据采集运算上传电路原理图；
图7是采用现有电压跟随器对气固流体的测量结果图；
图8是采用本发明的电荷放大器对气固流体的测量结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1、图2、图3所示，一种基于电荷放大器的静电传感器测量电路，包括静电传感器，所述静电传感器包括PVC绝缘管1、金属屏蔽罩2和铜电极环3，所述PVC绝缘管1内充有物料颗粒4，所述金属屏蔽罩2设于PVC绝缘管1外侧，所述铜电极环3设于PVC绝缘管与金属屏蔽罩2之间且紧贴于PVC绝缘管1外壁，所述铜电极环3通过静电信号引出线5依次与前置级电荷放大电路6、滤波放大调整电路7、数据采集运算上传电路8及PC机9串联；所述前置级电荷放大电路6包括直流电源10、第一电阻11、第二电阻12、反馈电阻13、第一电容14、第二电容15、反馈电容16和电荷运算放大器插座17，所述第一电容14、第一电阻11、第二电容15和第二电阻12依次并联后与直流电源10连接，所述电荷运算放大器17插座包括静电信号输入接线端18、接地屏蔽端19和静电信号输出端20，所述第二电阻12一端与所述静电信号输入接线端18连接，另一端与所述接地屏蔽端19连接，所述反馈电阻13与反馈电容16并联后一端与所述静电信号输入接线端18连接，另一端与所述静电信号输出端20连接；所述滤波放大调整电路7包括依次串联的跟随器21、陷波器22、滤波器23、程控放大电路24和量程调整电路25。
所述前置级电荷放大电路6的作用是提取微弱的静电信号，将微弱的静电电流信号转换为电压信号以便于滤波放大调整电路7使用；所述滤波放大调整电路7是将前置级得到的信号进行滤波、放大、电平调整，滤波是滤除杂波和干扰波，放大是将前置级电压进行放大，并将电平调整为正电压以便于数据采集运算上传电路8使用；所述数据采集显示上传电路8的作用是将模拟的静电信号转换为数字信号作为计算、显示和分析的样本。
如图2所示，所述第一电阻11和第一电容14分别表示传感器探头的等效电阻和等效电容，所述第二电阻12和第二电容15分别表示前级放大器的等效输入电阻与输入电容。
所述直流电源10供电电压为±15V。
所述电荷运算放大器插座17的型号为AD549。
为了减少静电传感器输出端到放大器输入端之间的分布电容的影响和外界干扰，进一步降低附加噪声的影响，提高信噪比，所述跟随器21包括型号为OPA129的放大器，所述放大器偏置电流为100fA、输入阻抗为1013Ω，温漂移为±5μV/℃。
如图4所示，所述陷波器22采用双T型有源陷波器，所述双T型有源陷波器是由4个电阻和4个电容组成的双对称电路，所述4个电阻R41＝R42＝R43＝R44，所述4个电容C41＝C42＝C43＝C44，并在衰减极点处产生谐振，谐振频率为在具体使用时，有源双T型陷波器Q值不能取的过高，否则，陷波器的特性过于尖锐，陷波器中心频率稍有偏离，陷波的效果就会很差，一般取Q值在几十以内。
所述滤波器23是截止频率为1kHz的低通滤波器，所述低通滤波器由两个一阶低通滤波器串联构成。
由于粉尘平均流速、浓度以及带电量等因素变化范围比较大，因此信号的强弱变化也比较大，为了适应不同的测量环境、对象，放大电路的放大倍数应该设计为可调的，所述程控放大电路24采用增益可调的PGA放大电路，其增益可通过PGA芯片管脚控制，对于PGA放大电路，由于它是整个模拟信号检测电路系统中唯一的数字部分，在设计印制电路板时应该特别注意它的布线问题。
传感器输出的信号经过模拟滤波放大电路调理后，再经增益放大器放大，最后的电压范围为-10～+10V，而数据采集运算上传电路8能够采集的电压信号的范围为0～2.5V，所以此电压信号无法直接被数据采集运算上传电路8直接采样，因此需要进行电压的量程转换，将信号电压范围转换为0～2.5V，这样便可以被数据采集运算上传电路8直接进行采样，同时保证A/D的转换精度，如图5所示，所述量程调整电路25采用放大器组成的加法电路，并与所述数据采集运算上传电路8相连，将电压进行量程转换后为所述数据采集运算电路8提供0～2.5V的信号电压。
如图6所示，所述数据采集运算上传电路8包括ARM(LPC2468)单片机、四个传输通道、片外SRAM数据存储器、总线和LED显示器，所述ARM单片机通过总线分别与四个传输通道、片外SRAM数据存储器和LED显示器相连，用于将采集到的模拟静电信号转换为数字信号，所述总线采用RS485或RS232，所述总线与PC机9相连用于将采集到的静电信号上传到PC机9中；所述四个传输通道CH1，CH2，CH3，CH4可以同时采集四路经滤波放大的静电信号，LED显示器可以在单片机上显示测量计算结果。
如图7所示为现有的采用高阻抗放大器作为电压跟随器对气固流体的测量结果图，如图8所示为本发明采用电荷放大器对气固流体的测量结果图，明显可以看出图8所示的测量结果要好于图7的测量结果。
本发明设计的测量电路可以应用于环状和插入式两种静电传感器，不受引线长度和静电传感器内阻限制，经实验验证本发明设计的测量电路结构简单、信号提取能力强、工作稳定。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种基于电荷放大器的静电传感器测量电路，其特征在于，包括静电传感器，所述静电传感器包括PVC绝缘管、金属屏蔽罩和铜电极环，所述PVC绝缘管内充有物料颗粒，所述金属屏蔽罩设于绝缘管外侧，所述铜电极环设于绝缘管与金属屏蔽罩之间且紧贴于绝缘管外壁，所述铜电极环通过静电信号引出线依次与前置级电荷放大电路、滤波放大调整电路、数据采集运算上传电路及PC机串联；所述前置级电荷放大电路包括直流电源、第一电阻、第二电阻、反馈电阻、第一电容、第二电容、反馈电容和电荷运算放大器插座，所述第一电容、第一电阻、第二电容和第二电阻依次并联后与直流电源连接，所述电荷运算放大器插座包括静电信号输入接线端、接地屏蔽端和静电信号输出端，所述第二电阻一端与所述静电信号输入接线端连接，另一端与所述接地屏蔽端连接，所述反馈电阻与反馈电容并联后一端与所述静电信号输入接线端连接，另一端与所述静电信号输出端连接；所述滤波放大调整电路包括依次串联的跟随器、陷波器、滤波器、程控放大电路和量程调整电路。
2.根据权利要求1所述的基于电荷放大器的静电传感器测量电路，其特征在于，所述直流电源供电电压为±15V。
3.根据权利要求1所述的基于电荷放大器的静电传感器测量电路，其特征在于，所述电荷运算放大器插座的型号为AD549。
4.根据权利要求1所述的基于电荷放大器的静电传感器测量电路，其特征在于，所述跟随器包括型号为OPA129的放大器。
5.根据权利要求1所述的基于电荷放大器的静电传感器测量电路，其特征在于，所述陷波器采用双T型有源陷波器，所述双T型有源陷波器是由4个电阻和4个电容组成的双对称电路。
6.根据权利要求1所述的基于电荷放大器的静电传感器测量电路，其特征在于，所述滤波器是截止频率为1kHz的低通滤波器，所述低通滤波器由两个一阶低通滤波器串联构成。
7.根据权利要求1所述的基于电荷放大器的静电传感器测量电路，其特征在于，所述程控放大电路采用增益可调的PGA放大电路，其增益可通过PGA芯片管脚控制。
8.根据权利要求1所述的基于电荷放大器的静电传感器测量电路，其特征在于，所述量程调整电路采用放大器组成的加法电路，并与所述数据采集运算上传电路相连，用于将电压进行量程转换后为所述数据采集运算电路提供0～2.5V的信号电压。
9.根据权利要求1所述的基于电荷放大器的静电传感器测量电路，其特征在于，所述数据采集运算上传电路包括ARM单片机、四个传输通道、片外SRAM数据存储器、总线和LED显示器，所述ARM单片机通过总线分别与四个传输通道、片外SRAM数据存储器和LED显示器相连，用于将采集到的模拟静电信号转换为数字信号。
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