ECT系统杂散电容分布研究.pdf

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1、第4期周云龙等．ECT系统杂散电容分布研究417ECT系统杂散电容分布研究周云龙。高云鹏“衣得武“(东北电力大学a．能源与动力工程学院．b．自动化工程学院，吉林吉林132012)摘要对基于FPGA的ECT系统中存在的杂散电容进行分析和研究，其中包括电容传感器杂散电容、高速PCB的工艺杂散和寄生电容、集成电路芯片引脚间与电极引线间的串扰，并提出减小相应杂散的措施。关键词电容层析成像杂散电容分布中图分类号TP216文献标识码A文章编号1000-3932(2011)04-0417-03电容层析成像(ECT)技术是工业过程层析成像的一种，它是20世纪80年代在医学CT研究基础上形成和发

2、展起来的。由于该技术具有结构简单、非侵入性、安全、成本低、可视化和实时成像的特点，可用于动力、石油、化工、冶金及医药等两相流或多相流领域，进行流型辨识，分析相浓度，进行流量的实时测量⋯等。因此也是目前研究较热门的工业过程成像技术。ECT系统按照结构包括电容传感器、数据采集与信号处理单元、成像计算机3部分，其关键问题涉及到微弱电容检测、数据采集速度与精度等问题，且任何部分的好坏都会对系统的性能产生很大的影响¨1，由于还有很多面向现场的实际问题需要解决，目前该技术还处于实验室研究阶段。1ECT系统的杂散电容分布散杂电容又称分布电容，在高频电路及微小电容检测系统中，其影响不可忽略，笔

3、者以FPGA设计的高速数据采集系统为例"1，其电容传感器和数据采集系统中存在较多的杂散电容，这些杂散电容产生的噪声电压随着采集信号而进入系统，经放大运算、串扰等，将会使整个系统噪声变大、频响降低、淹没有用电容信号、工作不稳定等。ECT极板间微小电容的有效值很小，为仃数量级(1伍=10。5F)，远远小于系统杂散电容的数值，杂散电容主要来自PCB板的设计工艺，电子器件引脚之间和电极引线之间的串扰，检测电极与屏蔽层之间还存在电容。这一方面要求ECT系统在设计工艺上要尽量减小杂散电容，一方面还要求设计的电路要有抑制杂散电容的能力。2ECT系统电容研究ECT系统电容传感器和数据采集与信号

4、处理单元是一个复杂的电容系统，这些电容的分布特点对数据采集乃至图像重构将产生重要影响。对ECT系统进行杂散电容分析就是为了在微小电容检测的数据采集和传输过程中保证传输信号的准确性和完整性。2．1ECT电容传感器的杂散电容电容传感器存在较多的杂散电容，其分布如图1所示。其中包括检测极板与屏蔽罩和径向电极之间、检测极板与非检测极板之间的杂散电容。图1·电容传感器杂散电容分布图ECT传感器在执行检测任务时，屏蔽罩和径向极板始终接地，每组激励与检测电极工作时，其他的电极也全部接地。根据ECT系统交流法C／V转换电路原理(图2)，其中C。为激励极板与检测极板构成的电容，C。，和C。：即为

5、上述的杂散电容，K(f)为高频正弦激励信号。该电路中，c。与正弦激励信号源并联，它并不产生通过C。流向运放的电流，对输出的影响可以忽略；C砣与运放的反相端相连，一直处于虚地状态，它的存在也不会对输出产生影响，因此该交收稿日期：2010-09-23基金项目：国家自然科学基金资助项目(50976018)418化工自动化及仪表第38卷图2交流法C／V转换电路原理图流法C／V转换电路具有抑制上述杂散电容的能力。但在ECT系统中很多杂散电路并不能通过接地方式而达到抑制杂散电容的目的，而是相互之间存在寄生和串扰。这种杂散电容只能在工艺上和技术上加以改进，以达到准确采集电容信号的目的。●2．

6、2ECT系统高速PCB的设计为了在一定时间内获得更多的投影数据，以满足高速流体的需要，数据采集电路应具有高速的特点，大量的理论研究和实践都表明，高速电路必须按照高频电路来设计H。，ECT系统中的FP—GA器件的晶振频率可达到上百兆，因此PCB电路板也应该按照高频电路的设计原则来设计。ProtelDXP2004虽然具有自动布线的功能，但并不能完全满足高频电路工作的需要，根据经验，往往先采用手工布局优化调整部分元器件的位置，再结合自动布局完成PCB的整体设计。布局的合理与否直接影响到系统的稳定性、EMC、可靠性、信号的完整性等。一般放置器件要根据“先放大、特殊；后放小，次要”的原则

7、，同时，还要兼顾布线方面的要求，高频元器件的位置尽量紧凑，信号线的布线才能尽可能短，从而降低信号线的杂散电容和串扰。布线时采用“先手动，后自动，两者结合”的原则，尽量采用全直线，转折处采用45。转角或者圆弧曲线来完成，以减小高频电路尖端对外发射和相互间的杂散电容耦合；信号线布线尽可能短，以减少分布参数、降低损耗，保证数据采集电路信号的完整性，同一层、层与层之间布线尽量相互垂直、斜交或弯曲，避免平行，可以减小相互干扰和寄生电容耦合。另外，同一层面上除特殊的布线外，其他走线宽度应尽可能一致。高频