[发明专利]差分式电容层析成像传感器及测量方法

摘要

本发明提供一种差分式电容层析成像传感器，该传感器的测量电极、差分电极多个成对对称均匀分布于绝缘管道与外屏蔽层之间相连，测量电极紧贴于绝缘管道上，在绝缘管道上部及下部均设有保护电极，并对应有一个测量电极；每对测量电极与差分电极通过开关网络连接至开关网络的正向正弦电压信号源、负向正弦电压信号源或运算放大器；并将流入运算放大器反向输入端的电流转换为输出电压。同时提供差分式电容层析成像传感器的测量方法。有益效果是可抵消测量电极对之间的电容基础值，电容测量电路直接检测各测量电极对电容相对于其电容基础值的变化量，使得被测电容的动态范围降低为原来的20～30％；降低对电容测量电路动态测量范围的要求，简化电路设计，提高系统信噪比12dB。

主权项

一种利用差分式电容层析成像传感器的测量方法，该方法包括以下步骤：1)差分式电容层析成像传感器的结构所述差分式电容层析成像传感器结构包括有测量电极(2)、差分电极(3)、绝缘管道(4)、外屏蔽层(1)、保护电极(5)，所述外屏蔽层(1)设于绝缘管道(4)的外部，所述测量电极(2)、差分电极(3)多个成对对称均匀分布于绝缘管道(4)与外屏蔽层(1)之间相连，所述测量电极(2)紧贴于绝缘管道(4)上，在绝缘管道(4)上部及下部均设有保护电极(5)，上部及下部的保护电极(5)均对应有一个测量电极(2)；测量电极(2)同样与差分电极(3)成n对出现；每对测量电极(2)与差分电极(3)通过电子开关(S1)～(S8)构成的开关网络连接至开关网络的正向正弦电压信号源(7)、负向正弦电压信号源(8)或运算放大器(9)；所述运算放大器(9)与反馈电阻(Rf)、反馈电容(Cf)构成电流/电压转换器，并将流入运算放大器(9)反向输入端的电流转换为输出电压(6)；2)电容检测依据步骤1)差分式电容层析成像传感器，如要检测所述n对电极中第i对测量电极(2)与差分电极(3)与第j对测量电极(2)与差分电极(3)之间的电容检测值Cm(i,j)，其中i＝1,2,3,…,n，j＝1,2,3,…,n，则需将第i对测量电极(2)与差分电极(3)置于激励状态，余下的各对测量电极(2)与差分电极(3)置于检测状态，此时，检测第i对测量电极(2)与差分电极(3)相连的运算放大器(9)的输出电压(6)的幅值Vo(i,j)；运算放大器(9)将从所述第j对测量电极(2)及差分电极(3)流入的电流转换为输出电压(6)，与被测电容的关系如下：Vo(t)=-jωRf(Cm-Cd)jωCfRf+1Vi(t)]]>其中，Vi(t)为正向正弦电压信号，ω为正弦信号的角频率，Cm为测量电极(2)与正向激励电极之间的电容值，Cd为差分电极(3)与反向激励电极之间的电容值，由于Vi(t)、Rf、Cf及ω为恒定量，上式可简化为：Cm‑Cd＝k|Vo|其中，|Vo|为输出电压(6)的幅值，由于Cd为恒定量，k|Vo|实际表示Cm相对于Cd的变化量，则第i对电极与第j对电极之间的电容检测值为：C(i,j)=Cm(i,j)-Cd(i,j)=k|Vo(i,j)|;]]>3)通道循环，完成一帧数据测量所述n对电极的差分式电容层析成像传感器，要完成一帧数据检测，共需检测共n(n‑1)/2个电容值，具体操作为：初始化，令i＝1；第一步，将第i对测量电极(2)及差分电极(3)置于激励状态，余下各对电极均置于检测状态；对于置于检测状态的各对电极，通过检测各运算放大器(9)的输出电压(6)得到的电容检测值，依次记为：C(i,j)，其中j＝i+1,i+2,…,n；第二步，令i＝i+1，并执行第一步的操作；循环执行步骤2)的第二步，当第n‑1对测量电极(2)及差分电极(3)处于激励状态并完成检测C(n‑1,n)时，终止循环；至此，共得到n(n‑1)/2个电容检测值。