CN108333434A - 一种分程式并行结构电容阵列测量电路 - Google Patents

一种分程式并行结构电容阵列测量电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分程式并行结构电容阵列测量电路，其特征在于包括五个部分：通道选择电路、分程式C/V转换器、数字递推解调器、激励信号发生电路和控制电路。针对具有N个电极的电容阵列传感器，所述电路具有N个测量通道；每个通道包括一个通道选择电路，每个通道选择电路具有两个“T”型开关电路，每个“T”型开关电路电路包括三个电子开关；每个通道包括一个分程式C/V转换器，每个C/V转换器包括一个反馈电容、M个反馈电阻、M个电子开关、一个运算放大器；数字递推解调器包括N个模数转换器和一个数字信号处理芯片，每个通道单独使用一个模数转换器，多个通道共用一个数字信号处理芯片；激励信号发生电路包括一个参考时钟、一个相位累加器、一个正弦查找表、一个数模转换器、一个低通滤波器。

Description

一种分程式并行结构电容阵列测量电路
技术领域
本发明涉及一种分程式并行结构电容阵列测量电路，属于分布参数测量领域。
背景技术
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)技术是一种用于测量被测场域内介电常数分布的可视化技术手段，常用于多相流动过程监测。它通过测量被测场域边界的电容值来反演出被测场域内的介电常数分布，进而获得不同介电常数对应的物质分布情况。与传统的参数检测技术相比，ECT技术具有以下优点：①非侵入，不破坏被测物场分布；②采用低压交流激励，无辐射、安全；③无需机械扫描，响应快、实时性高；④结构简单，成本低；⑤可反演得到被测对象内部的介电常数分布信息，提供在线的二维或三维可视化图像。因此，ECT技术在石油、化工、电力、冶金及航空航天等领域中的过程监测及特征参数提取方面具有广泛的应用前景。
电容的精确测量是ECT技术的核心。最常用的微小电容测量方法主要有两种，分别为充放电式(charge-discharge)和交流式(AC-based)。其中，充放电式电容测量电路以其结构简单、成本低廉、功耗低等优点而最早被ECT系统所采用，但是其固有的零点漂移和电子开关注入电荷等问题一直制约着其对微小电容检测精度的进一步提高。自从1994年W.Q.Yang发表其关于高频率、高精度的微小电容检测电路的相关研究内容以来，这种以交流信号激励和检测为基础的电容测量电路开始被广泛引入到ECT系统设计中，并成为学者们的研究热点。最初，受到加工工艺和微电子发展水平的限制，基于交流法的微小电容检测电路多以模拟元件为基础搭建。虽然这种以模拟元件为基础的交流式微小电容检测电路已经较为成功地应用到ECT系统中，但是其结构相对复杂，且受到模拟低通滤波器响应时间的限制，图像数据采集速度往往只有数十帧/秒，较难实现对快速变化过程对象的实时监测。近年来，随着高性能数字处理器件(如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray,FPGA)和数字信号处理器(Digital Signal Processer,DSP)等)和高速模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)的推广，传统模拟系统中的部分关键模块(如正弦信号发生器、模拟解调器等)可改用数字信号处理方法来实现，从而大大简化了原有系统的结构。
目前，针对ECT中的电容测量技术，研究者已经取得了较多的研究成果。尽管ECT技术相较于传统技术有很多优点，但同时也面临着很多的挑战：①ECT图像重建是一个典型的逆问题求解问题，微小的电容测量误差都会造成解的不准确，因此，ECT边界电容的精确测量是决定ECT技术应用效果的关键因素之一；②尽管ECT技术的实时性较高，但当ECT技术应用于监测快速变化的对象或者用于速度测量时，需要在保证测量信噪比的同时，得到更高的图像采集速度，以提供更高的时间分辨率。提高ECT系统的测量速度有两种方法，一是提高电容测量速度，二是使用高速电容测量模式。传统的串行式ECT系统采用遍历的形式，具有低成本、结构简单的优点。然而串行结构同样存在几个不足：①由于每两个电极之间的电容测量都需要进行切换，每次测量之间都需要留出开关切换的时间，在串行结构中，这些时间是叠加的，因此串行结构限制了测量速度的进一步提高；②串行结构的通道切换电路需要采用多个电子开关，其接通电阻和关断电容对电容测量精度会有一定影响。
根据上述说明，传统的ECT电容测量电路仍需在测量精度和速度上进一步提高，为ECT图像重建质量的提高和监测速度的提升提供更加可靠的原始电容测量数据。
发明内容
本发明的技术解决问题：针对传统的ECT电容测量电路的不足，提出了一种基于并行结构、双“T”型开关、分程式C/V转换器和数字递推解调器的电容测量电路，提高了小电容的测量信噪比、电容测量速度和图像采集速度。
本发明的技术解决方案：一种分程式并行结构电容阵列测量电路，其特征在于包括五个部分：通道选择电路(1)、分程式C/V转换器(2)、数字递推解调器(3)、激励信号发生电路(4)和控制电路(5)；针对具有N个电极的电容阵列传感器，所述电路具有N个测量通道；每个通道包括一个通道选择电路，每个通道选择电路(1)具有两个“T”型开关电路(11,12)，每个“T”型开关电路电路包括三个电子开关(111,112,113)；每个通道包括一个分程式C/V转换器(21)，每个C/V转换器包括一个反馈电容(217)、M个反馈电阻(212,214,216)、M个电子开关(211,213,215)、一个运算放大器(218)；数字递推解调器(3)包括N个模数转换器(31)和一个数字信号处理芯片(34)，每个通道单独使用一个模数转换器，多个通道共用一个数字信号处理芯片；激励信号发生电路(4)包括一个参考时钟(41)、一个相位累加器(42)、一个正弦查找表(43)、一个数模转换器(44)、一个低通滤波器(45)。
本发明的基本原理：所述激励信号发生电路(4)产生固定频率的正弦电压激励信号，施加到通道选择电路(1)上，通过通道选择电路，首先将激励信号施加到电极1上，其余电极2到电极N处于测量状态，通过通道选择电路连接到分程式C/V转换器；通过分程式C/V转换器将测量信号转换为电压信号，将电压信号通过数字递推解调器(3)进行采集和信号幅度解调；解调得到的信号幅度值通过控制电路(5)转换为测量电容值，并传输到上位机，用于数据后处理。
本发明与现有技术相比的优点：
①由于ECT传感器电极的相邻和相隔电极之间电容差距比较大，本发明采用分程式C/V转换器，对相邻电极和相隔电极之间电容测量采用不同的测量量程，提高了小电容测量的信噪比；
②与传统的串行结构电容测量模式不同，并行结构采用一个电极激励，多个通道对其余电极信号同时测量的方法，对于一个具有N电极的ECT传感器来说，只需要N-1次的通道切换，即可完成以下全部电容值的测量。而串行系统则需要N(N-1)/2次测量，才能得到上三角区域中的电容值，即并行测量结构的一半数据量。因此，本发明提高了电容测量速度和图像采集速度。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为通道选择电路的原理图；
图3为分程式C/V转换器的原理图；
图4为激励信号发生电路的原理图；
图5为控制电路的工作框图；
具体实施方式
如图1所示，本发明包括五个部分：通道选择电路(1)、分程式C/V转换器(2)、数字递推解调器(3)、激励信号发生电路(4)和控制电路(5)；针对具有N个电极的电容阵列传感器，所述电路具有N个测量通道；每个通道包括一个通道选择电路，每个通道选择电路(1)具有两个“T”型开关电路(11,12)，每个“T”型开关电路电路包括三个电子开关(111,112,113)；每个通道包括一个分程式C/V转换器(21)，每个C/V转换器包括一个反馈电容(217)、M个反馈电阻(212,214,216)、M个电子开关(211,213,215)、一个运算放大器(218)；数字递推解调器(3)包括N个模数转换器(31)和一个数字信号处理芯片(34)，每个通道单独使用一个模数转换器，多个通道共用一个数字信号处理芯片；激励信号发生电路(4)包括一个参考时钟(41)、一个相位累加器(42)、一个正弦查找表(43)、一个数模转换器(44)、一个低通滤波器(45)。
如图2所示，所述通道选择电路(1)在通道1电极处于激励状态时，开关(111)开通，开关(112)开通，开关(113)关断，开关(121)关断，开关(122)开通，开关(123)开通；在通道1电极处于测量状态时，开关(111)开通，开关(112)关断，开关(113)开通，开关(121)开通，开关(122)开通，开关(123)关断；上述操作同样适用于其他通道。
如图3所示，Cx表示待测电容，Cs1和Cs2表示由连接电容极板与测量电路之间的屏蔽电缆引入的杂散电容。当正弦交流电压激励信号Vi被施加到待测电容Cx上，产生的交流电流信号进入运算放大器的虚地端，在反馈电阻和反馈电容的作用下被转换为交流测量电压信号Vo。由于杂散电容Cs1的一端固定接地，另外一端接交流电压源，因此不会产生流过待测电容的电流，也就不影响Cx的测量。同样，杂散电容Cs2一端固定接地，另外一端接运算放大器的虚地端，也不会对Cx的测量造成影响。因此，该C/V转换器是“抗杂散电容”的。同时，该C/V转换器设置M个大小不同的反馈电阻，分别对应M种大小不同的电容测量范围，每个量程对应一个开关和一个电阻；根据测量电极距离激励电极的位置，选择测量电极对应通道的分程式C/V转换器中对应量程的开关开通，其余量程对应开关关断；如果测量电极距离激励电极越近，选择C/V转换器的量程越大。
如图4所示，激励信号发生电路(4)包括一个参考时钟(41)、一个相位累加器(42)、一个正弦查找表(43)、一个数模转换器(44)、一个低通滤波器(45)。激励信号发生电路直接对参考时钟进行抽样、数字化，从相位出发，用不同的相位给出不同的电压幅度，最后经滤波平滑输出正弦信号。参考频率源是一个稳定的晶体振荡器，用来同步激励信号发生电路各组成部分。相位累加器类似于一个计数器，它由多个级联的加法器和寄存器组成，在每一个参考时钟脉冲输入时，它的输出就增加一个步长的相位增量值(二进制码)，这样相位累加器把频率控制字K的数字变换成相位抽样来确定输出合成频率的大小。相位增量的大小随外指令频率控制字K的不同而不同，一旦给定了相位增量，输出频率也就确定了。当用这样的数据寻址时，正弦查表就把存储在相位累加器中的抽样数字值转换成近似的正弦波幅度的数字量函数，模数变换器把数字量转换成模拟量。低通滤波器进一步平滑近似正弦波的锯齿阶梯信号，并衰减不需要的抽样分量和其他带外杂散信号，最后输出所需要的频率和模拟信号。此结构中除了低通滤波器外，全用数字集成电路实现。当频率合成器正常工作时，在参考频率源的控制下，相位累加器不断对该相位增量进行相位累加。当相位累加器计满时，就会产生一次溢出，从而完成一个周期的动作，这个动作周期即是合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是输出的信号频率。
如图5所示，控制电路的主要工作流程为：
①选定参数值：电极个数N；
②通过激励测量策略，控制通道选择电路，针对相应电极控制开关切换，改变电极状态；
③多通道同时对信号进行采集和解调；
④采集和解调结束后，切换激励电极序号，进入切换时间，控制通道选择电路切换；
⑤将解调后的数据传输到上位机，当一幅图像的数据传输完成后，加入校验位。
此外，数字递推解调器的工作原理如下：
①设模数转换器采集到的离散信号为
其中，fs为采样频率，n是采样点序号，f是信号频率，A为信号幅度，为信号相位。
②对参数K和P初始化：
其中，
③设定迭代次数n，求参数Kn和Pn：
④求得待测信号幅度：
其中，xn[1]为xn的第一个元素。
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

Claims (1)

1.一种分程式并行结构电容阵列测量电路，其特征在于包括五个部分：通道选择电路(1)、分程式C/V转换器(2)、数字递推解调器(3)、激励信号发生电路(4)和控制电路(5)；针对具有N个电极的电容阵列传感器，所述电路具有N个测量通道；每个通道包括一个通道选择电路，每个通道选择电路(1)具有两个“T”型开关电路(11,12)，每个“T”型开关电路电路包括三个电子开关(111,112,113)；每个通道包括一个分程式C/V转换器(21)，每个C/V转换器包括一个反馈电容(217)、M个反馈电阻(212,214,216)、M个电子开关(211,213,215)、一个运算放大器(218)；数字递推解调器(3)包括N个模数转换器(31)和一个数字信号处理芯片(34)，每个通道单独使用一个模数转换器，多个通道共用一个数字信号处理芯片；激励信号发生电路(4)包括一个参考时钟(41)、一个相位累加器(42)、一个正弦查找表(43)、一个数模转换器(44)、一个低通滤波器(45)；所述激励信号发生电路(4)产生固定频率的正弦电压激励信号，施加到通道选择电路(1)上，通过通道选择电路，首先将激励信号施加到电极1上，其余电极2到电极N处于测量状态，通过通道选择电路连接到分程式C/V转换器；通过分程式C/V转换器将测量信号转换为电压信号，将电压信号通过数字递推解调器(3)进行采集和信号幅度解调；解调得到的信号幅度值通过控制电路(5)转换为测量电容值，并传输到上位机，用于数据后处理；所述通道选择电路(1)在通道1电极处于激励状态时，开关(111)开通，开关(112)开通，开关(113)关断，开关(121)关断，开关(122)开通，开关(123)开通；在通道1电极处于测量状态时，开关(111)开通，开关(112)关断，开关(113)开通，开关(121)开通，开关(122)开通，开关(123)关断，上述操作同样适用于其他通道；分程式C/V转换器(2)具有M个电容测量量程，每个量程对应一个开关和一个电阻，根据测量电极距离激励电极的位置，选择测量电极对应通道的分程式C/V转换器中对应量程的开关开通，其余量程对应开关关断，如果测量电极距离激励电极越近，选择C/V转换器的量程越大。
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