畢業(yè)設(shè)計(jì)-一種新的基于cv的微電容的檢測(cè)方法(已修改)
2025-06-22 15:00 本頁(yè)面
【正文】 一種新的 基于 C/V 的微電容的檢測(cè) 方法 1 許立志 王明灼 曾黃麟 (四川理工學(xué)院，自貢， 643000) 摘要 :論文 分 析了傳統(tǒng)及現(xiàn)有小電容檢測(cè)方法存在的問(wèn)題，基于 C/V電容檢測(cè)的基本原理， 提出了 一種新的基于 C/V的微電容的檢測(cè)方法， 設(shè)計(jì) 了 一個(gè) 簡(jiǎn)易的 微電容 運(yùn)算放大器檢測(cè)電路 .根據(jù) 電路模型 分析和 仿真測(cè)試結(jié)果 表明， 該電路具有抗 雜散電容 干擾強(qiáng)、靈敏度高、容易實(shí)現(xiàn) 無(wú)損在線檢測(cè) 、成本低等優(yōu)點(diǎn) . 關(guān)鍵詞 : 微電容 , 線性 , 檢測(cè)電路 , 雜散電容 中圖分類號(hào) :TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A A New Approach of Microcapacitor Measurment Based on Conversion of Capacitances and Voltages Lizhi Xu Mingzhuo Wang Huanglin Zeng ( Sichuan University of Science and Engineering, 643000, P. R. China ) ABSRACT: in this Paper, some of techniques for measuring of small capacitance are briefly discussed. A kind of simple operational amplifier circuit is designed on the basic principle of Conversion of Capacitances and Voltages (C / V) to detect the microcapacitor. Based on analysis on capacitance detection of the circuit model and simulation test results given, It is shown that a circuit of microcapacitor measurment based on C / V is of high sensitivity and low cost and easy for realization. Key word: microcapacitance。 Linear。 detecting circuit。 Stray capacitance 1本文 研究工作 得到 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（ 863 計(jì)劃）第四批課題，（ 2021AA11A134） 基金的部分資助。 1 引言 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)氣井套管檢測(cè) 技術(shù) 進(jìn)行了廣泛 的研究，特別是 對(duì)測(cè)量金屬腐蝕度的無(wú)損檢測(cè)方法研究十分重視， 主要 采用了 聲學(xué)檢測(cè)法、射線檢測(cè)法、電學(xué)檢測(cè)法、磁學(xué)檢測(cè)法、光學(xué)檢測(cè)法等 。 在 測(cè)量金屬腐蝕度的 無(wú)損檢測(cè) 方法， 電容層析成像技術(shù) （ ECT） 是多相流參數(shù)檢測(cè)中的一種新技術(shù) , 可提供封閉管道及容器中內(nèi)部的可視化信息 , 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 采用非侵入式 , 響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。其中電容的測(cè)量是該技術(shù)的關(guān)鍵部分， ECT 中的電容測(cè)量由于電容的變化量較小，一般在幾個(gè)到幾十皮法的范圍，因此測(cè)量較困難，且要求分辨率高、數(shù)據(jù)采集速率 快 , 這使得許多常用的電容測(cè)量方法不能適用。 如何解決抗雜散電容干擾，提高測(cè)量靈敏度，實(shí)現(xiàn)無(wú)損在線檢測(cè)等 成為研究的主要任務(wù)。 本 文 分析了傳統(tǒng)及現(xiàn)有小電容檢測(cè)方法存在的問(wèn)題，提出一種新的基于 C/V 的微電容的檢測(cè)方法。 2 電容層析成像技術(shù) 的電容測(cè)量方法 在 測(cè)量金屬腐蝕度的無(wú)損檢測(cè)中，微電容檢測(cè)方法主要有 諧振法 [1]，調(diào)頻法 [2]，交流電橋法 [3]， 差動(dòng)脈寬調(diào)制法， V/T法等。 諧振法是在被測(cè)電容 (常常伴隨有一漏電阻 ) 兩端并聯(lián)一個(gè)固定電感 ,然后加一可變頻率的電源 .調(diào)整信號(hào)源頻率 ,使電路發(fā)生諧振 .諧振時(shí) ,被測(cè)電容 呈 現(xiàn)的容抗和電感呈現(xiàn)的感抗相等 ,從而可求得被測(cè)電容。該方法的優(yōu)點(diǎn)是 :頻率范圍寬 ,可從幾百千赫到幾百兆赫 ,適合實(shí)驗(yàn)室測(cè)量 ,適于小電容測(cè)量 .存在的問(wèn)題 是 :工作點(diǎn)不好選取，變化范圍較窄，導(dǎo)致量程不大 ； 傳感器與諧振回路要靠近，否則電纜的雜散電容對(duì)電路影響較大 ；為了提高測(cè)量精度，振蕩器的頻率穩(wěn)定度要優(yōu)于 10的數(shù)量級(jí)，這對(duì)于信號(hào)源來(lái)說(shuō)要長(zhǎng)時(shí)間保持這種穩(wěn)定度， 比較困難 . 調(diào)頻法 是 調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，稱之為諧振電容，當(dāng)被測(cè)輸入量導(dǎo)致電容發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化，將頻率的變化在鑒頻器中解調(diào)出與被測(cè)信號(hào)成比例的低頻電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大后才能輸入計(jì)算機(jī) .這種調(diào)頻電路特性穩(wěn)定，靈敏度高， 存在的問(wèn)題是 :響應(yīng)速度慢 ，難以實(shí)現(xiàn)無(wú)損在線檢測(cè)實(shí)時(shí)信號(hào)處理 ，因?yàn)殡娐分械男盘?hào)頻率 f有變化，需要高精度電路配合，特別是要求有恒幅的幅頻特性，不適合高精度電容檢測(cè)的設(shè)計(jì)。 交流電橋法的原理是把被測(cè)電容 (可有漏導(dǎo) )放在一個(gè)橋臂 ,可調(diào)的參考阻抗放在相鄰的另一個(gè)橋臂 ,二橋臂分別接到頻率相同、電壓相同的兩個(gè)信號(hào)源上 . 調(diào)節(jié)參考阻抗使橋路平衡 ,則被測(cè)橋臂中的阻抗與參考阻抗共軛相等 . 此法的優(yōu)點(diǎn)是 :精度高 ,適合做精密電容 測(cè)量 ,可以做到高 SNR。 存在的問(wèn)題是 : 由于此電路只針對(duì)差動(dòng)電容的測(cè)量，而不能測(cè)量出單電容的絕對(duì)值，且 不具備自動(dòng)平衡措施 ,構(gòu)成電路復(fù)雜 ,且激勵(lì)頻率通常低于 100 kHz。 差動(dòng)脈寬調(diào)制法的工作原理是 :作為傳感器的電容器充放電時(shí)，電容量的變化使電路輸出的脈沖寬度隨之變化，經(jīng)低通濾波器得到與被測(cè)量相對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)。該電路輸出電壓與各電容傳感器的變化量的代數(shù)和成正比 。存在的問(wèn)題是 :此電路要求直流電源電壓穩(wěn)定性要高，輸出電壓信號(hào)一般為矩形波， 需要 再配一低通濾波器 才能 得到直流信號(hào)。 V/T法測(cè)量 ， 根據(jù)充放電原理，采用 間歇式 CN轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)控制間歇式轉(zhuǎn)換電路中模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)序以完成對(duì)被測(cè)電容的充放電 。實(shí)現(xiàn)被測(cè)電容值轉(zhuǎn)換成可供模擬轉(zhuǎn)換的電壓值 。存在的問(wèn)題是 :對(duì)被測(cè)電容值小、電容變化甚微、易受外部環(huán)境干擾 ，測(cè)量精度不高，對(duì)恒流源要求較高，溫度漂移對(duì)測(cè)量精度影響較大，存在
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