一种基于广义电容器进行待测物理量检测的方法及检测系统.pdf

本发明公开了一种基于广义电容器进行待测物理量检测的方法及检测系统，所述的广义电容器是由实际电极和虚拟电极构成的，实际电极是一个或多个带电的金属导体，虚拟电极是无穷远处的空间。当实际电极和虚拟电极之间的目标物体的待测的物理量变化时，会导致广义电容器的电容值或与电容值相关的物理量发生变化，通过测量广义电容器的电容值或相关物理量，可以检测目标物体的待测的物理量的变化情况。该发明克服了某些场合电容器中的其中一个电极设计、安装或制造困难的障碍，提供了一种新型的电容传感器中电容器的构造和设计的方法。

1、  一种基于广义电容器进行目标物体的待测物理量检测的方法，所述广义电容器是由一个或多个带电的物体作为实际电极，无穷远处的空间作为虚拟电极共同构成的；所述待测的物理量是指可以通过电容型传感器进行检测的刻画目标物体性状的量，该方法根据广义电容器电容值的变化来检测待测的物理量，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)设计实际电极，所述实际电极可以为一个或多个导电的金属极板；
(2)选取虚拟电极，所述虚拟电极为无穷远处的空间；
(3)估算所述广义电容器的原始电容值，估算实际电极和虚拟电极之间没有目标物体时所述广义电容器的原始电容值；
(4)确定对应关系，估算并测量处于实际电极和虚拟电极之间的目标物体的待测物理量的数值与广义电容器的电容值的数值的对应关系，并拟合关系曲线；
(5)测量实际电极和虚拟电极之间存在目标物体时，由于待测物理量的变化所导致的广义电容器的电容值的变化量；
(6)根据步骤(5)所测量的电容值的变化量和步骤(4)中的拟合的关系曲线得到待测的物理量的数值或待测的物理量的变化量的数值。

2、  一种用于目标物体的待测物理量检测的广义电容器，当目标物体至于所述电容器中时，利用广义电容器的电容值的变化来检测待测物理量，所述广义电容器由两个或多个电极构成，其特征在于：
其中至少有一个电极是实际电极，至少有一个电极是虚拟电极，所述实际电极可以为一个或多个导电的金属极板，所述虚拟电极为无穷远处的空间。

3、  一种基于广义电容器进行目标物的待测物理量检测的检测系统，所述检测系统包括由实际电极和虚拟电极构成的广义电容器、电容/电压转换模块、信号处理模块、模数转换和显示模块，其特征在于：
所述广义电容器的电容量测量装置的输出与所述电容/电压转换模块的输入相连，所述电容/电压转换模块的输出与信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述模数转换和显示模块的输入端相连；
所述广义电容器作为待测的物理量的变换器件，将目标物体的待测物理量的变换转换成所述广义电容器电容值的变换；通过电容/电压转换模块，所测量的广义电容器的电容值变换成电压值并输入到信号处理模块；在所述信号处理模块中，将电容/电压转换模块输出的电压信号进行滤波、放大处理；最后通过模数转换和显示模块，将模拟量的电压信号转换成数字量的电压信号，并将电压信号显示出来。

一种基于广义电容器进行待测物理量检测的方法及检测系统
技术领域
本发明属于信号设备与检测领域，特别涉及一种电容型传感器中电容器的构成和设计方法、一种基于该电容器进行的待测物理量检测方法和检测系统。
背景技术
电容器是一种用以暂时储存电荷的电路器件，一般由两片或多片被电介质分开并绝缘的金属电极组成。当所有金属电极之间的距离为有限值时，这种电容器可以称为普通电容器；当其中至少一片电极与其它电极之间的距离为无穷远时，这种电容器可以称为广义电容器。广义电容器中相对于观察者较近的电极必须为实际存在的电极，称为实际电极；广义电容器中相对于观察者为无穷远处的电极，可以认为不存在，或虚拟存在的电极，称为虚拟电极。换句话说，广义电容器是由实际电极和虚拟电极组成的。当前的电容型传感器中的电容器均为普通电容器，包括两个或两个以上的实际电极，而不包括虚拟电极。如200710057356.9所公布的双内外环形电容传感器，包括有一个内环和一个外环作为电容的两个电极。在200710305370.6提到的静电电容传感器，其电容器是由信号电极和偏压电极组成的。在89219440.5公布的管式电容传感器是由发射极筒和接收极筒构成电容的两个电极。
广义电容器与普通电容器一样，也可能是多个电极构成的。如由97111084.0已知多电极电容传感器中的电容器是由三个以上的电极构成电容的。由多个电极构成的广义电容器，其中有一个电极是虚拟电极。在一些特殊场合，当普通电容器某一电极难以设计或制造或安装时，就为电容传感器的应用带来障碍。此时，应用广义电容的构造方法来设计电容，把难以设计或制造或安装的电极当作虚拟电极，从而可以应用电容传感器的原理进行待测的物理量的检测。
发明内容
基于现有的技术状态，本发明的目的在于提供一种基于广义电容器进行待测的物理量检测的方法，具有结构简单，安装方便，适用范围广的特点。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于广义电容器进行目标物体的待测物理量检测的方法，所述广义电容器是由一个或多个带电的物体作为实际电极，无穷远处的空间作为虚拟电极共同构成的；所述待测的物理量是指可以通过电容型传感器进行检测的刻画目标物体性状的量，该方法根据广义电容器电容值的变化来检测待测的物理量，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)设计实际电极，所述实际电极可以为一个或多个导电的金属极板；
(2)选取虚拟电极，所述虚拟电极为无穷远处的空间；
(3)估算所述广义电容器的原始电容值，估算实际电极和虚拟电极之间没有目标物体时所述广义电容器的原始电容值；
(4)确定对应关系，估算并测量处于实际电极和虚拟电极之间的目标物体的待测物理量的数值与广义电容器的电容值的数值的对应关系，并拟合关系曲线；
(5)测量实际电极和虚拟电极之间存在目标物体时，由于待测物理量的变化所导致的广义电容器的电容值的变化量；
(6)根据步骤(5)所测量的电容值的变化量和步骤(4)中的拟合的关系曲线得到待测的物理量的数值或待测的物理量的变化量的数值。
一种用于目标物体的待测物理量检测的广义电容器，当目标物体至于所述电容器中时，利用广义电容器的电容值的变化来检测待测物理量，所述广义电容器由两个或多个电极构成，其中至少有一个电极是实际电极，至少有一个电极是虚拟电极，所述实际电极可以为一个或多个导电的金属极板，所述虚拟电极为无穷远处的空间。
本发明还同时公开了一种基于广义电容器进行目标物的待测物理量检测的检测系统，所述检测系统包括由实际电极和虚拟电极构成的广义电容器、电容/电压转换模块、信号处理模块、模数转换和显示模块，其特征在于：
所述广义电容器的电容值测量装置的输出与所述电容/电压转换模块的输入相连，所述电容/电压转换模块的输出与信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述模数转换和显示模块的输入端相连；
所述广义电容器作为待测的物理量的变换器件，将目标物体的待测物理量的变换转换成所述广义电容器的电容值的变换；通过电容/电压转换模块，所测量的广义电容器的电容值变换成电压值并输入到信号处理模块；在所述信号处理模块中，将电容/电压转换模块输出的电压信号进行滤波、放大处理；最后通过模数转换和显示模块，将模拟量的电压信号转换成数字量的电压信号，并将电压信号显示出来。
本发明的有益效果是，克服了某些场合电容器中的一个电极设计、安装或制造困难的障碍，提供了一种新型的电容传感器中电容器的构造和设计的方法，具有安装方便、结构简单和适用范围广的优点。
附图说明
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种基于广义电容器进行待测的物理量测量的方法不局限于实施例。
图1是本发明中广义电容器的示意图。
图2是本发明中利用广义电容器进行物理量检测的检测系统的功能框图。
图3是本实施例中广义电容器的实际电极。
图4是本实施例中广义电容器的实际电极在自动门上的安装位置示意图。
图5是本发明中利用广义电容器进行物理量检测的检测系统的电路原理图。
图6是本实施例中广义电容器的电容值随目标物体与实际电极之间距离变化的关系曲线。
具体实施方式
本发明的一种基于广义电容器进行待测的物理量检测的方法，包括设计实际电极、选取虚拟电极、原始电容值的估算、待测的物理值的标定和检测信号的后处理等五个过程。
a.设计实际电极。所述实际电极是指广义电容器中离观察者较近，实际存在的电极。需要结合电容型传感器进行待测的物理量检测应用的场合、条件和目的，设计实际电极的材料、尺寸、形状和数量等。比如，在毒性气体存在的环境下，选择实际电极的材料时需避免与毒性气体发生化学反应的物质。实际电极的尺寸不仅需要考虑提高待测物理量检测的灵敏度，也需结合现场安装的条件来进行权衡。比如，基于广义电容进行汽车倒车时障碍物距离检测，实际电极的尺寸就要尽量避免过大以影响汽车的外观和动力学平衡特性。实际电极的尺寸在某些场合有特殊要求，因此需要针对现场的条件进行设计。比如，对于输油管道内油气二相流的气体含量进行动态检测，广义电容传感器中实际电极的形状应与管道的形状具有相似性，尽量设计成管状或管状的一部分。另外，在某些特殊场合，为了提高检测的灵敏度和精度，可以设计多个实际电极。这些实际电极与虚拟电极均可构成广义电容。比如，利用广义电容的电容型传感器对有限密闭空间中固体弥散微粒含量检测时，可以设计多个相互平行的实际电极，以提高检测的灵敏度和精度。
b.选取虚拟电极。广义电容器中相对于观察者处于无穷远处的电极，可以认为不存在，或者虚拟存在的电极，称为虚拟电极。在广义电容器中，选取无穷远处的空间为虚拟电极。
c.估算原始电容值。当实际电极和虚拟电极之间没有目标物体时，广义电容器的原始电容值可以根据电容器本征电容值的定义式C＝Q/U或其衍生公式C＝2W_e/U²或C＝Q²/(2W_e)进行估算。其中C为广义电容器的电容值，单位：F(法拉)；Q为实际电极上的电荷量，单位：C(库伦)；U为实际电极相对于大地的电位，单位：V(伏特)；W_e为广义电容器中储存的静电能量，单位：J(焦耳)。较为实用的估算方法可以通过二维电磁场分析软件Ansoft Maxwell或其他电磁模拟软件进行估算。其估算方法是首先建立包含实际电极和虚拟电极的电磁仿真模型，通过对模型进行有限元分析建立有关电容的特征方程式，然后再进行数值计算得到电容值的大小。该电容值只是原始电容值实际大小的估算值。
d.确定对应关系。估算并测量处于实际电极和虚拟电极之间的目标物体的待测物理量的数值与广义电容器的电容值的数值的对应关系，并拟合关系曲线。实际电极和虚拟电极之间的目标物体的物理特性(如目标物体的成分，目标物体的温度，目标物体的尺寸或者目标物体相对于实际电极的距离)发生变化时，广义电容器的电容值会随之发生变化。电介质的物理特性参数即是目标物体的待测物理量。采用上述步骤c中的估算方法对实际电极和虚拟电极之间存在目标物体，而且其物理特性发生变化时电容值的大小及电容值变化量进行估算。通过足够多次改变目标物体的物理特性参数的大小，可以得到一组对应的电容值的数据。利用数据拟合的方法，可以得到目标物体的待测物理量与电容值之间的对应关系曲线。再针对拟合曲线范围内的有限个特征点(包括物理特性参数的最大值、最小值和关系曲线变化较为剧烈时的物理特性参数对应的数值)进行实际测量，并根据测量结果对关系曲线进行修正。修正后的物理特性参数与电容值对应的关系曲线即可以作为待测物理量与电容值之间对应关系的标定曲线。
e.测量电容值。测量实际电极和虚拟电极之间存在目标物体时，由于目标物体待测物理量的变化所导致的广义电容器的电容值的变化量。
f.根据步骤e所测量的电容值的变化量和步骤d中确定的对应关系关系曲线得到目标物体待测的物理量的数值或待测的物理量的变化量的数值。
本发明利用广义电容器进行待测的物理量检测，其中广义电容器的原理是：
如图1所示的广义电容器，由两个同心球面极板构成。球面极板1的半径为R₁，所带电量为+q；另一球面极板2的半径为R₂，带电量为-q。两球面极板1和2分别是半径为R₁和R₂的同心球面的一部分，具有相同的立体角ω。球面极板1的电荷面密度为在不考虑边缘效应的情况下，根据高斯定理，可求得球面极板1外部距离球心r处的电场强度为：
E=14πϵ0qωR12×4πR12r2=qωϵ0r2---(1)]]>
则球面极板1和球面极板2之间的电位差为：
U=∫R1R2E(r)dr=∫R1R2qωϵ0r2dr=qωϵ0(1R1-1R2)---(2)]]>
球面极板1和球面极板2之间的电容为：
C=qU=ωϵ0R1R2R1+R2---(3)]]>
由此可知，当球面极板2的半径R₂→+∞时，球面极板1和球面极板2之间的电容为C→ωε₀R₁。
因此，当球面极板1和球面极板2之间的电容发生变化时，可以认为是球面极板1和球面极板2之间的电介质由于介电常数发生变化引起的。电介质3出现、靠近、远离、消失或者含水量增加等均会导致介电常数的变化。电介质的平均介电常数由ε₀变为ε′₁。此时，球面极板1和球面极板2之间的电容C′→ωε′₁R₁。待测的物理量只要导致电介质的介电常数发生变化，均可导致球面极板1和球面极板2之间的介电常数变化，从而导致相应的电容变化。这种电容的变化可以通过测量电容器的电容值来确定，也可以通过测量与电容值相关的物理量，如电荷、电位、电能、磁能、电磁能和力来确定。
图2是本发明中利用广义电容器进行物理量检测的检测系统，包括：
广义电容器，所述广义电容器是由一个或多个带电的物体作为实际电极，无穷远处的空间作为虚拟电极共同构成的；
电容/电压转换电路，当处于广义电容附近的待测物体的待测物理量发生变化时，广义电容器的电容值会发生变化，所述的电容/电压转换电路将电容值的变化量转换为电压变化量；
信号处理电路，为了提高测量电路的精确度和灵敏度，所述放大电路可以将电容/电压转换电路的输出电压值比例放大；
模数转换电路，所述模数转换电路可以将放大电路输出的模拟电压信号转换成数字信号输出。
所述利用广义电容器进行物理量检测的检测系统的电路原理图如图5所示。
所述电容/电压转换电路包括第一集成芯片(本实施例中的第一集成芯片为德国AMG公司的CAV424，其驱动电压为+5V)、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4。所述电阻R1接在第一集成芯片的引脚11和+5V驱动电源之间，所述电阻R2接在第一集成芯片的引脚3和地之间，所述电阻R3接在第一集成芯片的引脚2和地之间，所述电阻R4接在第一集成芯片的引脚1和地之间，所述电阻R5接在第一集成芯片的引脚4和引脚5之间，所述电阻R6接在第一集成芯片的引脚4和引脚6之间，所述电容C1接在第一集成芯片的引脚12和地之间，所述电容C2接在第一集成芯片的引脚13和地之间，所述电容C3接在第一集成芯片的引脚15和地之间，所述电容C4接在第一集成芯片的引脚16和地之间，所述第一集成芯片的引脚10直接和地相连，所述广义电容的实际电极和第一集成芯片的引脚14相连，所述第一集成芯片的引脚5和引脚6作为电容/电压转换电路的两个差分输出端口。
所述电容/电压转换电路的工作原理是：第一集成芯片内部是一个由电容C1确定频率的参考振荡器控制着两个相位恒定和周期相同的对称构造的积分器。这两个积分器的振幅通过电容C4和Cx来确定，这里C4作为参考电容(有时也可以作为测量电容器)，Cx作为测量电容器。比较两个积分器的电压振幅差值就可以给出电容C4和Cx的相对电容变化差值。该差分信号通过一个二阶低通滤波器转换成直流电压信号并经过输出可调的差分信号输出级输出。只要简单调整第一集成芯片外部很少的元件就可以改变低通滤波器的滤波常数和放大倍数。该测量电路可测出参考电容值的5％到100％的变化电容值。第一集成芯片内部的参考振荡器对外接的振荡器电容C1和第一集成芯片内部的附加电容充电和放电，C1的电容值的取值近似按照下式：
C₁＝1.6C₄    (4)
其中C4是参考电容值。
参考振荡器电流I_OSC由外接电阻R4和第一集成芯片第6引脚所接的参考电压V_M来确定：
Iosc=VMR4---(5)]]>
参考振荡器的频率为：
fOSC=Iosc2·ΔVOSC·(C1+COSC,PAR,INT+COSC,PAR,EXT)---(6)]]>
其中，ΔV_OSC是参考振荡器的峰谷电压差，该值由第一集成芯片的内部电阻决定，为2.1V。
第一集成芯片输出的差分电压
VDIFF=GLP·VDIFF,0=GLP·38·(VC4-VCX)---(7)]]>
其中放大倍数
GLP=1+R5R6---(8)]]>
所述电容/电压转换电路有关电气元件参数为：