三電極差分電容式PCB用于通道內(nèi)流體空隙率檢測

朱偉民　佟仕忠

摘 要： 為解決血管、輸油管道等密閉通道內(nèi)流體空隙檢測問題，提出一種三電極差分電容式檢測方法，該方法是基于電容器印刷電路板（PCB）進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)空氣泡等空隙存在于密閉通道時，傳感器的電容會因此發(fā)生變化?；诖嗽恚貌罘蛛娙莘糯笃?、鎖相放大器、濾波器和一個數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行電容變化的監(jiān)測，電極采用自印刷電路板表面頂部至底部的銅質(zhì)結(jié)構(gòu)，塑料管通過電容傳感器布局并垂直于印刷電路板表面。流體空隙體積會對輸出電壓產(chǎn)生影響，根據(jù)三電極電位電壓間信號的不平衡，檢測出液體內(nèi)部氣泡，并在計(jì)算機(jī)上對檢測到的電容變化信號進(jìn)行處理和計(jì)算，獲取空隙體積、運(yùn)動速度等數(shù)據(jù)。這種流體傳感器也可用于醫(yī)療設(shè)備中空隙率檢測。

關(guān)鍵詞： 差分電容放大器； 鎖相放大器； 濾波器； 印刷電路板； 空隙率檢測； 三電極

中圖分類號： TN41?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0130?04

Abstract： To solve the fluid void ratio detection problem in airtight channel， such as blood vessel and oil pipeline， a three electrode differential capacitance detection method is proposed. The method was designed and realized based on capacitor printed circuit board （PCB）. When the air bubbles and other voids exist in the airtight channel， the capacitance of the sensor will change. Based on this principle， the differential capacitor amplifier， phase locked amplifier， filter and a data acquisition card are used to monitor the capacitance changes， the copper structure from top to bottom of the PCB surface is selected as the electrode， and the plastic tube is laid vertical to PCB surface through the capacitance sensor. Since the fluid′s void volume can effect on the output voltage， the bubbles inside the liquid can be detected according to the signal imbalance between the three electrode potential voltage. The detected capacitance change signal is processed and calculated on computer to obtain the data of void volume and velocity. This fluid sensor can be used for void ratio detection in medical facilities.

Keywords： differential capacitance amplifier； phase locked amplifier； filter； PCB； void ratio detection； three electrode

0 引 言

空隙率檢測在精細(xì)流量控制、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域起著關(guān)鍵性作用[1]。在人體血管內(nèi)出現(xiàn)氣泡是異常危險的，會出現(xiàn)不可預(yù)知的腦栓塞情況，從而導(dǎo)致人員猝死。當(dāng)人體進(jìn)行血液透析或靜脈輸液時，血管內(nèi)有可能會注入空氣，產(chǎn)生氣泡，因此對于血液或輸液管道的氣泡檢測至關(guān)重要[2]。

在氣泡檢測中可應(yīng)用不同的物理原理，最早的氣泡檢測器[3]是由干電池和光源組成，當(dāng)氣泡經(jīng)過時，光源會透過血管，以此進(jìn)行檢測。但是這種裝備的檢測靈敏度不足，當(dāng)血管壁沉積有大量纖維蛋白時，會阻礙光線通過造成漏檢。此外，環(huán)境光線的干擾，也會造成假預(yù)警現(xiàn)象存在，雖然后續(xù)采用紅外線、X射線等光源[4]對干擾有所抑制，但是由于紅外波問題仍然存在假預(yù)警現(xiàn)象。用超聲波[5]檢測流體管內(nèi)流體空隙是另外一種檢測方法，但是這類方法的實(shí)現(xiàn)是非常復(fù)雜的。電容式傳感器是一種方便制造和安裝的檢測工具，已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用研究。例如，文獻(xiàn)[6]對生物化學(xué)篩選進(jìn)行微流控制，從而進(jìn)行顆粒的合成和化學(xué)分析；文獻(xiàn)[7]對液體流量空隙率進(jìn)行檢測；文獻(xiàn)[8]應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，管道安全檢測；文獻(xiàn)[9]應(yīng)用于噴墨管道氣泡檢測領(lǐng)域等。此類應(yīng)用還有很多，不再一一贅述。

在本文中，利用PCB技術(shù)制作三電極管道空隙電容傳感器檢測器，根據(jù)氣泡經(jīng)過時導(dǎo)致的介電常數(shù)發(fā)生變化從而引起傳感器電容輸出值的變化，對管道液體空隙進(jìn)行檢測。采用與該電容式傳感器類似結(jié)構(gòu)，只是將尺寸縮小到微米級，可實(shí)現(xiàn)對微通道流體空隙檢測。在該研究中，可實(shí)現(xiàn)對流體通道的實(shí)時監(jiān)控以檢測流體空隙，并實(shí)時對通道流量控制以消除流體空隙。通過對所接收的電容信號進(jìn)行分析，可對通道流體空隙速度和體積進(jìn)行估計(jì)。這種檢測器具有較高的靈敏度和抗干擾性，可較為簡便地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化工等管道流體空隙監(jiān)測中。

1 射流電容傳感器PCB設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電容傳感器電容變化可反映液體內(nèi)部介電常數(shù)和電導(dǎo)率異常，可有效檢測流體通道的變化。對于每種材料不同的液體其介電常數(shù)是不同的，因此當(dāng)液體內(nèi)部發(fā)生變化時（如氣泡），其介電常數(shù)和電導(dǎo)率會發(fā)生變化，進(jìn)而會引起電容傳感器電容的變化。這里設(shè)計(jì)三電極差分電容式印刷電路板用于封閉管道的氣泡檢測。

圖1給出所設(shè)計(jì)三電極差分電容式PCB外觀，共有兩條流體管道通過PCB板，其中一條作為參考通道，另一條作為檢測通道。圖1中的流體塑料管道，垂直通過PCB板，在測量過程中，參考通道內(nèi)的流體不發(fā)生變化。當(dāng)在檢測通道內(nèi)存在空氣氣泡或粒子時，會導(dǎo)致兩相電容不平衡。不平衡電容值與氣泡或顆粒介質(zhì)與流體體積比例相關(guān)。

圖1中的（1）～（3）給出三電極電容器板包圍流體管形狀設(shè)計(jì)。在同一電路板上制作2個電容傳感器，這種設(shè)計(jì)可避免使用連接電線，從而減少寄生電容和噪聲問題。該P(yáng)CB流體電容傳感器適用于亞毫米，毫米以及厘米級直徑的封閉管通道。這種低成本的設(shè)計(jì)可應(yīng)用于石油餾分的檢測，透析治療機(jī)空氣泡檢測等方面。圖1中的三電極電容布局系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)利用電荷放大器電路對電容變化進(jìn)行評價。該流體傳感器系統(tǒng)由二個三電極電容器分別作為傳感電容和參考電容。這種雙電容器采用傳統(tǒng)PCB技術(shù)進(jìn)行制造，并利用銅材料結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)電容器電極。

1.2 電容計(jì)算

圖2給出了含有球形氣泡的流體通過時的傳感器檢測示意圖。流體和氣泡的電導(dǎo)率分別為[ε1]和[ε2]。通常情況下，盡管輸出電容與氣泡體積、形狀和介電值有關(guān)，但是電極[V1]和[V2]間的電容仍可通過經(jīng)典的電容理論進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了氣泡檢測的簡化。

式中：[ρS]為表面電荷密度；[εr]為電極間的流體電導(dǎo)率。式（2）表明，輸出電容與流體電導(dǎo)率和電極形狀有關(guān)。

當(dāng)空氣泡出現(xiàn)在檢測電極間時，電容的輸出會發(fā)生改變（見圖2（a））。此電容器可簡化為由幾個電容元件組成的等效電路，而其邊緣效應(yīng)被忽略（見圖2（b））。兩電容組件[Cleft]和[Cright]可利用式（1）進(jìn)行計(jì)算。而中間位置電容[Ccenter]受到氣泡影響，其值的計(jì)算非常復(fù)雜，在此不再贅述。

2 三電極差分電容電路設(shè)計(jì)

2.2 差分電容放大電路原理設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對管道空隙率的有效檢測，采用一種電子電路將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。通過簡單的功率放大操作，將電容傳感器端的電荷轉(zhuǎn)換為電壓輸出，如圖5所示。圖5給出一個示例設(shè)計(jì)，相位為0°和180°的正弦信號分別被用于傳感和參考電容的第1電極處。因此，可利用該電路對共模噪聲進(jìn)行補(bǔ)償，然后，通過使用運(yùn)算放大器對差分信號進(jìn)行放大操作。

可通過檢測傳感器塊輸出電壓直接反映出電容值的變化情況。檢測通道電容值[Cx]和參考通道電容值[Cr]之間的差分值[ΔC，]可根據(jù)上述傳感器塊輸出電壓進(jìn)行估計(jì)。

電荷放大器輸出是執(zhí)行解調(diào)及噪聲消除的鎖相放大器輸入，利用該電荷放大器電路，實(shí)現(xiàn)模塊與傳感器的連接，完成信號轉(zhuǎn)換。該模塊使用鋁盒進(jìn)行電磁屏蔽，由于法拉第效應(yīng)，會減少噪音干擾，穩(wěn)定輸出結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了監(jiān)測電容變化，建立基于差分電容放大器、標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器（HM8030）、鎖相放大器（7220DSP）、過濾器和數(shù)據(jù)采集卡（DAQ pad?6016）組成的監(jiān)測系統(tǒng)。函數(shù)生成器向電荷放大器模塊提供正弦波信號，并作為鎖相放大器的參考信號。該正弦信號頻率為100 kHz，幅度為3.5 Vpp，由標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器（HM8030）產(chǎn)生，隨后被轉(zhuǎn)換為[-Vs]和[+Vs]兩個信號，其相位分別為0°和180°。

鎖相放大器的輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡到達(dá)計(jì)算機(jī)，然后利用LabVIEW軟件進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)T型連接器作為特定氣缸用來在流體中產(chǎn)生氣泡或注入粒子。采用高精度儀表精確控制活塞位置，因此，這種結(jié)構(gòu)可在給定時間給出所需體積空氣氣泡。

3.2 氣泡體積對輸出電容影響

圖7給出不同體積空氣氣泡穿過傳感電容時，流量傳感器輸出電壓隨時間的變化情況。氣泡體積變化范圍為[0.1～2.34 mm2。]從圖中可以看出，當(dāng)氣泡體積為最大[2.34 mm2，]其輸出電壓從283 mV降為228 mV，降幅為52 mV，并且隨著氣泡體積的降低，其對輸出電壓影響程度也在降低，當(dāng)氣泡體積為最小[0.1 mm2，]其輸出電壓從281 mV降為274 mV，降幅為7 mV。表1給出氣泡體積與電壓幅值和電容變化值間的對應(yīng)關(guān)系。隨著氣泡體積減小，其對輸出電壓影響降低，對電容值影響也隨之降低。根據(jù)圖7曲線可近似得出氣泡體積范圍。

3.3 檢測方法對比

從圖8中可以看出，紅外線和超聲波檢測方法對體積較小的氣泡無法識別，即這兩種算法存在較高的靈敏度閾值，其中紅外線方法的靈敏度閾值在0.8 mm2左右，而超聲波方法的靈敏度閾值在0.6 mm2左右，由于氣泡產(chǎn)生設(shè)備精度問題，無法對三電極電容檢測的靈敏度閾值進(jìn)行檢測，但其值應(yīng)小于0.1 mm2。

4 結(jié) 語

針對密閉管道空隙率檢測問題，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于三電極差分電容式檢測方法，通過印刷電路板進(jìn)行電路實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過與紅外線和超聲波檢測方法進(jìn)行對比，顯示了所提方法的有效性。但是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備問題，并未給出三電極差分電容式檢測方法的靈敏度閾值，并且這種方法在實(shí)驗(yàn)室外條件下的實(shí)用性有待進(jìn)一步研究，比如，管道為金屬管道問題，管道直徑過大問題，不便于假設(shè)檢測設(shè)備問題等。

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