一種基於電荷放大器的靜電傳感器測量電路的製作方法

2023-08-01 18:23:31

本發明涉及靜電傳感器技術領域，尤其涉及一種基於電荷放大器的靜電傳感器測量電路。

背景技術：

氣固兩相流是氣力傳輸管道內最常見、最重要的多相流形式之一，由於氣固兩相流中存在相對速度和界面效應，使得氣固兩相流測量成為亟待解決的技術問題，靜電法由於其測量系統結構簡單、具有較高靈敏度為氣固兩相流參數檢測提供了一種實用又有效的檢測方法，靜電法是利用固相顆粒的荷電性質，通過對靜電信號的測量和分析得到兩相流參數，由於荷電受到固相顆粒本身物理、化學性質以及溫度、溼度等環境條件的影響，其荷電規律複雜，一般的數學公式難以描述，而通過設計合理的靜電傳感器以及信號放大和處理電路可測得脈動的靜電信號，但目前市場上沒有完善的靜電傳感器測量流體參數的裝置，通常的測量方法均是從測量方法著手，對於靜電傳感器應用於氣固兩相流參數測量而言，靜電信號的有效真實提取是關鍵。

靜電傳感器一般由敏感元件即傳感器電極、絕緣管以及電磁屏蔽罩組成，帶電顆粒流經測量電極時，由於靜電感應，在電極內外表面產生大小相等、方向相反的電荷，靜電傳感器敏感元件與接地屏蔽罩處於靜電場中，它們之間存在電容和洩漏電阻，在傳感器實際輸出時，還有電纜分布電容、放大器的輸入阻抗、輸入電容等損耗，從靜電傳感器等效電路可知，靜電傳感器的輸出信號是其對地電容上的感應電荷，並在其上建立電壓，輸出信號極其微小，但洩漏電阻卻較大，因此靜電傳感器要求前置放大器電路作為接口電路。

靜電傳感器有兩種信號檢測電路，電壓放大器和電荷放大器，一般採用電荷放大器形式，將傳感器上遊和下遊兩路微弱信號放大，然後通過同軸電纜傳送到數據採集卡，最後在PC機的數據採集系統中進行數據處理。由於靜電傳感器輸出感應電荷信號是一種低頻的微弱信號，為了減少靜電傳感器輸出端與放大器輸入端之間分布電容的影響和外界幹擾，一般將電荷放大電路設成前置放大器且放置在靜電傳感器附近，以對靜電傳感器信號源起到阻抗匹配和初步的電荷放大功能。

傳感器當前靜電傳感器測量電路採用高阻抗放大器作為跟隨器進行阻抗變換，且靜電信號的獲取是通過場效應管或者高輸入阻抗的運算放大器來分得電壓，但利用高輸入阻抗的運算放大器只能分得靜電信號的一部分，有很大一部分靜電信號消耗在其本身內阻上，而且因受其自身分布電容、電阻影響很大，而且因前置級放大器必須安裝在靜電傳感器附近，靜電傳感器電極和前置級放大的連接引線不能過長。

技術實現要素：

鑑於現有技術的上述缺陷，本發明提供了一種基於電荷放大器的靜電傳感器測量電路，不僅能有效提取氣固兩相流在靜電傳感器上感應出的微弱靜電信號，解決微弱靜電信號測量問題，且能有效克服電極分布參數的影響，延長電極到前置級放大的引線長度達到幾米甚至十幾米，本發明設計的測量電路可以應用於環狀和插入式兩種靜電傳感器，經實驗驗證本發明設計的測量電路結構簡單、信號提取能力強、工作穩定。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基於電荷放大器的靜電傳感器測量電路，包括靜電傳感器，所述靜電傳感器包括PVC絕緣管、金屬屏蔽罩和銅電極環，所述PVC絕緣管內充有物料顆粒，所述金屬屏蔽罩設於絕緣管外側，所述銅電極環設於絕緣管與金屬屏蔽罩之間且緊貼於絕緣管外壁，所述銅電極環通過靜電信號引出線依次與前置級電荷放大電路、濾波放大調整電路、數據採集運算上傳電路及PC機串聯；所述前置級電荷放大電路包括直流電源、第一電阻、第二電阻、反饋電阻、第一電容、第二電容、反饋電容和電荷運算放大器插座，所述第一電容、第一電阻、第二電容和第二電阻依次並聯後與直流電源連接，所述電荷運算放大器插座包括靜電信號輸入接線端、接地屏蔽端和靜電信號輸出端，所述第二電阻一端與所述靜電信號輸入接線端連接，另一端與所述接地屏蔽端連接，所述反饋電阻與反饋電容並聯後一端與所述靜電信號輸入接線端連接，另一端與所述靜電信號輸出端連接；所述濾波放大調整電路包括依次串聯的跟隨器、陷波器、濾波器、程控放大電路和量程調整電路。

所述第一電阻和第一電容分別表示傳感器探頭的等效電阻和等效電容，所述第二電阻和第二電容分別表示前級放大器的等效輸入電阻與輸入電容，所述前置級電荷放大電路的作用是提取微弱的靜電信號，將微弱的靜電電流信號轉換為電壓信號以便於濾波放大調整電路使用；所述濾波放大調整電路是將前置級得到的信號進行濾波、放大、電平調整，濾波是濾除雜波和幹擾波，放大是將前置級電壓進行放大，並將電平調整為正電壓以便於數據採集運算上傳電路使用；所述數據採集顯示上傳電路的作用是將模擬的靜電信號轉換為數位訊號作為計算、顯示和分析的樣本。

進一步的，所述直流電源供電電壓為±15V。

進一步的，所述電荷運算放大器插座的型號為AD549。

進一步的，所述跟隨器包括型號為OPA129的放大器。

進一步的，所述陷波器採用雙T型有源陷波器，所述雙T型有源陷波器是由4個電阻和4個電容組成的雙對稱電路。

進一步的，所述濾波器是截止頻率為1kHz的低通濾波器，所述低通濾波器由兩個一階低通濾波器串聯構成。

進一步的，所述程控放大電路採用增益可調的PGA放大電路，其增益可通過PGA晶片管腳控制。

進一步的，所述量程調整電路採用放大器組成的加法電路，並與所述數據採集運算上傳電路相連，將電壓進行量程轉換後為所述數據採集運算電路提供0～2.5V的信號電壓。

進一步的，所述數據採集運算上傳電路包括ARM(LPC2468)單片機、四個傳輸通道、片外SRAM數據存儲器、總線和LED顯示器，所述ARM單片機通過總線分別與四個傳輸通道、片外SRAM數據存儲器和LED顯示器相連，用於將採集到的模擬靜電信號轉換為數位訊號，所述總線採用RS485或RS232，所述總線與PC機相連用於將採集到的靜電信號上傳到PC機中，所述四個傳輸通道CH1，CH2，CH3，CH4可以同時採集四路經濾波放大的靜電信號，LED顯示器可以在單片機上顯示測量計算結果。

本發明與現有技術相比所產生的有益效果是：

本發明設計了一種新型的靜電傳感器測量電路，不僅能有效提取氣固兩相流在靜電傳感器上感應出的微弱靜電信號，解決微弱靜電信號測量問題，且能有效克服電極分布參數的影響，延長電極到前置級放大的引線長度達到幾米甚至十幾米，本發明設計的測量電路可以應用於環狀和插入式兩種靜電傳感器，不受引線長度和靜電傳感器內阻的限制，經實驗驗證本發明設計的測量電路結構簡單、信號提取能力強、工作穩定。

附圖說明

圖1是靜電傳感器系統原理框圖；

圖2是前置級電荷放大器等效電路原理圖；

圖3是濾波放大調整電路結構框圖；

圖4是雙T型有源陷波器電路原理圖；

圖5是量程調整電路原理圖；

圖6是數據採集運算上傳電路原理圖；

圖7是採用現有電壓跟隨器對氣固流體的測量結果圖；

圖8是採用本發明的電荷放大器對氣固流體的測量結果圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

如圖1、圖2、圖3所示，一種基於電荷放大器的靜電傳感器測量電路，包括靜電傳感器，所述靜電傳感器包括PVC絕緣管1、金屬屏蔽罩2和銅電極環3，所述PVC絕緣管1內充有物料顆粒4，所述金屬屏蔽罩2設於PVC絕緣管1外側，所述銅電極環3設於PVC絕緣管與金屬屏蔽罩2之間且緊貼於PVC絕緣管1外壁，所述銅電極環3通過靜電信號引出線5依次與前置級電荷放大電路6、濾波放大調整電路7、數據採集運算上傳電路8及PC機9串聯；所述前置級電荷放大電路6包括直流電源10、第一電阻11、第二電阻12、反饋電阻13、第一電容14、第二電容15、反饋電容16和電荷運算放大器插座17，所述第一電容14、第一電阻11、第二電容15和第二電阻12依次並聯後與直流電源10連接，所述電荷運算放大器17插座包括靜電信號輸入接線端18、接地屏蔽端19和靜電信號輸出端20，所述第二電阻12一端與所述靜電信號輸入接線端18連接，另一端與所述接地屏蔽端19連接，所述反饋電阻13與反饋電容16並聯後一端與所述靜電信號輸入接線端18連接，另一端與所述靜電信號輸出端20連接；所述濾波放大調整電路7包括依次串聯的跟隨器21、陷波器22、濾波器23、程控放大電路24和量程調整電路25。

所述前置級電荷放大電路6的作用是提取微弱的靜電信號，將微弱的靜電電流信號轉換為電壓信號以便於濾波放大調整電路7使用；所述濾波放大調整電路7是將前置級得到的信號進行濾波、放大、電平調整，濾波是濾除雜波和幹擾波，放大是將前置級電壓進行放大，並將電平調整為正電壓以便於數據採集運算上傳電路8使用；所述數據採集顯示上傳電路8的作用是將模擬的靜電信號轉換為數位訊號作為計算、顯示和分析的樣本。

如圖2所示，所述第一電阻11和第一電容14分別表示傳感器探頭的等效電阻和等效電容，所述第二電阻12和第二電容15分別表示前級放大器的等效輸入電阻與輸入電容。

所述直流電源10供電電壓為±15V。

所述電荷運算放大器插座17的型號為AD549。

為了減少靜電傳感器輸出端到放大器輸入端之間的分布電容的影響和外界幹擾，進一步降低附加噪聲的影響，提高信噪比，所述跟隨器21包括型號為OPA129的放大器，所述放大器偏置電流為100fA、輸入阻抗為1013Ω，溫漂移為±5μV/℃。

如圖4所示，所述陷波器22採用雙T型有源陷波器，所述雙T型有源陷波器是由4個電阻和4個電容組成的雙對稱電路，所述4個電阻R41＝R42＝R43＝R44，所述4個電容C41＝C42＝C43＝C44，並在衰減極點處產生諧振，諧振頻率為在具體使用時，有源雙T型陷波器Q值不能取的過高，否則，陷波器的特性過於尖銳，陷波器中心頻率稍有偏離，陷波的效果就會很差，一般取Q值在幾十以內。

所述濾波器23是截止頻率為1kHz的低通濾波器，所述低通濾波器由兩個一階低通濾波器串聯構成。

由於粉塵平均流速、濃度以及帶電量等因素變化範圍比較大，因此信號的強弱變化也比較大，為了適應不同的測量環境、對象，放大電路的放大倍數應該設計為可調的，所述程控放大電路24採用增益可調的PGA放大電路，其增益可通過PGA晶片管腳控制，對於PGA放大電路，由於它是整個模擬信號檢測電路系統中唯一的數字部分，在設計印製電路板時應該特別注意它的布線問題。

傳感器輸出的信號經過模擬濾波放大電路調理後，再經增益放大器放大，最後的電壓範圍為-10～+10V，而數據採集運算上傳電路8能夠採集的電壓信號的範圍為0～2.5V，所以此電壓信號無法直接被數據採集運算上傳電路8直接採樣，因此需要進行電壓的量程轉換，將信號電壓範圍轉換為0～2.5V，這樣便可以被數據採集運算上傳電路8直接進行採樣，同時保證A/D的轉換精度，如圖5所示，所述量程調整電路25採用放大器組成的加法電路，並與所述數據採集運算上傳電路8相連，將電壓進行量程轉換後為所述數據採集運算電路8提供0～2.5V的信號電壓。

如圖6所示，所述數據採集運算上傳電路8包括ARM(LPC2468)單片機、四個傳輸通道、片外SRAM數據存儲器、總線和LED顯示器，所述ARM單片機通過總線分別與四個傳輸通道、片外SRAM數據存儲器和LED顯示器相連，用於將採集到的模擬靜電信號轉換為數位訊號，所述總線採用RS485或RS232，所述總線與PC機9相連用於將採集到的靜電信號上傳到PC機9中；所述四個傳輸通道CH1，CH2，CH3，CH4可以同時採集四路經濾波放大的靜電信號，LED顯示器可以在單片機上顯示測量計算結果。

如圖7所示為現有的採用高阻抗放大器作為電壓跟隨器對氣固流體的測量結果圖，如圖8所示為本發明採用電荷放大器對氣固流體的測量結果圖，明顯可以看出圖8所示的測量結果要好於圖7的測量結果。

本發明設計的測量電路可以應用於環狀和插入式兩種靜電傳感器，不受引線長度和靜電傳感器內阻限制，經實驗驗證本發明設計的測量電路結構簡單、信號提取能力強、工作穩定。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。