三电极差分电容式PCB用于通道内流体空隙率检测

材料不同的液体其介电常数是不同的，因此当液体内部发生变化时（如气泡），其介电常数和电导率会发生变化，进而会引起电容传感器电容的变化。这里设计三电极差分电容式印刷电路板用于封闭管道的气泡检测。

图1给出所设计三电极差分电容式PCB外观，共有两条流体管道通过PCB板，其中一条作为参考通道，另一条作为检测通道。图1中的流体塑料管道，垂直通过PCB板，在测量过程中，参考通道内的流体不发生变化。当在检测通道内存在空气气泡或粒子时，会导致两相电容不平衡。不平衡电容值与气泡或颗粒介质与流体体积比例相关。

图1中的（1）～（3）给出三电极电容器板包围流体管形状设计。在同一电路板上制作2个电容传感器，这种设计可避免使用连接电线，从而减少寄生电容和噪声问题。该PCB流体电容传感器适用于亚毫米，毫米以及厘米级直径的封闭管通道。这种低成本的设计可应用于石油馏分的检测，透析治疗机空气泡检测等方面。图1中的三电极电容布局系统设计结构利用电荷放大器电路对电容变化进行评价。该流体传感器系统由二个三电极电容器分别作为传感电容和参考电容。这种双电容器采用传统PCB技术进行制造，并利用铜材料结构电路设计电容器电极。

1.2 电容计算

图2给出了含有球形气泡的流体通过时的传感器检测示意图。流体和气泡的电导率分别为[ε1]和[ε2]。通常情况下，尽管输出电容与气泡体积、形状和介电值有关，但是电极[V1]和[V2]间的电容仍可通过经典的电容理论进行计算，从而实现了气泡检测的简化。

式中：[ρS]为表面电荷密度；[εr]为电极间的流体电导率。式（2）表明，输出电容与流体电导率和电极形状有关。

当空气泡出现在检测电极间时，电容的输出会发生改变（见图2（a））。此电容器可简化为由几个电容元件组成的等效电路，而其边缘效应被忽略（见图2（b））。两电容组件[Cleft]和[Cright]可利用式（1）进行计算。而中间位置电容[Ccenter]受到气泡影响，其值的计算非常复杂，在此不再赘述。

2 三电极差分电容电路设计

2.2 差分电容放大电路原理设计

为实现对管道空隙率的有效检测，采用一种电子电路将电容变化转换为电压的变化。通过简单的功率放大操作，将电容传感器端的电荷转换为电压输出，如图5所示。图5给出一个示例设计，相位为0°和180°的正弦信号分别被用于传感和参考电容的第1电极处。因此，可利用该电路对共模噪声进行补偿，然后，通过使用运算放大器对差分信号进行放大操作。

可通过检测传感器块输出电压直接反映出电容值的变化情况。检测通道电容值[Cx]和参考通道电容值[Cr]之间的差分值[ΔC，]可根据上述传感器块输出电压进行估计。

电荷放大器输出是执行解调及噪声消除的锁相放大器输入，利用该电荷放大器电路，实现模块与传感器的连接，完成信号转换。该模块使用铝盒进行电磁屏蔽，由于法拉第效应，会减少噪音干扰，稳定输出结果。

3 实验分析

3.1 实验设置

为了监测电容变化，建立基于差分电容放大器、标准脉冲发生器（HM8030）、锁相放大器（7220DSP）、过滤器和数据采集卡（DAQ pad⁃6016）组成的监测系统。函数生成器向电荷放大器模块提供正弦波信号，并作为锁相放大器的参考信号。该正弦信号频率为100 kHz，幅度为3.5 Vpp，由标准脉冲发生器（HM8030）产生，随后被转换为[-Vs]和[+Vs]两个信号，其相位分别为0°和180°。

锁相放大器的输出经过数据采集卡到达计算机，然后利用LabVIEW软件进行处理。设计T型连接器作为特定气缸用来在流体中产生气泡或注入粒子。采用高精度仪表精确控制活塞位置，因此，这种结构可在给定时间给出所需体积空气气泡。

3.2 气泡体积对输出电容影响

图7给出不同体积空气气泡穿过传感电容时，流量传感器输出电压随时间的变化情况。气泡体积变化范围为[0.1～2.34 mm2。]从图中可以看出，当气泡体积为最大[2.34 mm2，]其输出电压从283 mV降为228 mV，降幅为52 mV，并且随着气泡体积的降低，其对输出电压影响程度也在降低，当气泡体积为最小[0.1 mm2，]其输出电压从281 mV降为274 mV，降幅为7 mV。表1给出气泡体积与电压幅值和电容变化值间的对应关系。随着气泡体积减小，其对输出电压影响降低，对电容值影响也随之降低。根据图7曲线可近似得出气泡体积范围。

3.3 检测方法对比

从图8中可以看出，红外线和超声波检测方法对体积较小的气泡无法识别，即这两种算法存在较高的灵敏度阈值，其中红外线方法的灵敏度阈值在0.8 mm2左右，而超声波方法的灵敏度阈值在0.6 mm2左右，由于气泡产生设备精度问题，无法对三电极电容检测的灵敏度阈值进行检测，但其值应小于0.1 mm2。

4 结 语

针对密闭管道空隙率检测问题，本文设计实现了一种基于三电极差分电容式检测方法，通过印刷电路板进行电路实现，并进行了实验设计。通过与红外线和超声波检测方法进行对比，显示了所提方法的有效性。但是由于实验设备问题，并未给出三电极差分电容式检测方法的灵敏度阈值，并且这种方法在实验室外条件下的实用性有待进一步研究，比如，管道为金属管道问题，管道直径过大问题，不便于假设检测设备问题等。

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