状 态。当此次测量完成后，使下一个测量电极2处于激励状态，进行测量。如此循环，使激励 状态遍历各测量电极2,完成全部测量。各保护电极5的电位和对应的测量电极2的电位相 同，可为正相激励状态或接地状态。
[0021] 图3为检测电路原理示意图。每对测量电极2和差分电极3由模拟电子开关或继 电器，即图3中电子开关S1?S8组成的开关网络连接至正向正弦电压信号源7、反向正弦 电压信号源8和运算放大器9。测量电极2与差分电极3的状态切换由电子开关S1?S8 完成。其中，当电子开关S3、S5、S6、S7接通，电子开关S1、S2、S4、S8断开时，测量电极2通 过开关S3、S5连接至正向电压信号源7,差分电极3通过电子开关S6、S7连接至反向电压 信号源8,处于激励状态；当电子开关S3、S5、S6、S7断开，电子开关S1、S2、S4、S8接通时， 测量电极2及差分电极3与信号分别通过电子开关S1、S2连接至运算放大器9的反向输入 端，流经测量电极2及差分电极3的电流馈入运算放大器9的由反馈电阻Rf、反馈电容Cf构 成的反馈阻容网络，在运算放大器9的输出端产生输出电压6。运算放大器9及其反馈阻容 网络构成一个反向加法器电路，可将从测量电极2、差分电极3流入的电流相加。由于对测 量电极2接受正向电压信号源的电压激励，差分电极3接受反向电压信号源的电压激励，从 测量电极2和差分电极3流入的电流极性相反，因而可利用从差分电极3流入的电流抵消 部分从测量电极2流入的电流，实现差分式测量。
[0022] 本发明的差分式电容层析成像传感器的测量方法是该样实现的，该方法包括W下 步骤：
[002引 1)电容检测
[0024] 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C(i，如，其中i，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
[0025] 运算放大器9将从第9对测量电极2及差分电极3流入的电流换输出电压6与被 测电容值的关系如下：
[0026]
【主权项】
1. 一种差分式电容层析成像传感器，其特征是：该传感器包括有测量电极（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. -种利用权利要求1所述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) 电容检测 如要检测所述n对电极中第i对测量电极⑵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，j= 1，2,3,…，n，则需将第i对测量电 极⑵与差分电极⑶置于激励状态，余下的各对测量电极⑵与差分电极⑶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V,' 运算放大器（9)将从所述第j对测量电极（2)及差分电极（3)流入的电流换输出电压 (6)与被测电容值的关系如下：
其中，Vjt)为正向正弦电压信号，《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Vdt)、Rf、 (^及w为恒定量，上式可简化为： cm-cd=k|v0 其中，|v。I为输出电压（6)的幅值，
。由于Cd为恒定量，k|Vj实际表 示相对于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：
2) 通道循环，完成一帧数据测量 对于所述n对电极ECT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+l，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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01R27-26
【公开号】CN104569614
【申请号】CN201510017114
【发明人】崔自强, 王化祥
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月14日