[发明专利]差分式电容层析成像传感器及测量方法

权利要求书

1.一种利用差分式电容层析成像传感器的测量方法，该方法包括以下步骤：

1)差分式电容层析成像传感器的结构

所述差分式电容层析成像传感器结构包括有测量电极(2)、差分电极(3)、绝缘管道(4)、外屏蔽层(1)、保护电极(5)，所述外屏蔽层(1)设于绝缘管道(4)的外部，所述测量电极(2)、差分电极(3)多个成对对称均匀分布于绝缘管道(4)与外屏蔽层(1)之间相连，所述测量电极(2)紧贴于绝缘管道(4)上，在绝缘管道(4)上部及下部均设有保护电极(5)，上部及下部的保护电极(5)均对应有一个测量电极(2)；测量电极(2)同样与差分电极(3)成n对出现；每对测量电极(2)与差分电极(3)通过电子开关(S1)～(S8)构成的开关网络连接至开关网络的正向正弦电压信号源(7)、负向正弦电压信号源(8)或运算放大器(9)；所述运算放大器(9)与反馈电阻(R_f)、反馈电容(C_f)构成电流/电压转换器，并将流入运算放大器(9)反向输入端的电流转换为输出电压(6)；

2)电容检测

依据步骤1)差分式电容层析成像传感器，如要检测所述n对电极中第i对测量电极(2)与差分电极(3)与第j对测量电极(2)与差分电极(3)之间的电容检测值C_m(i,j)，其中i＝1,2,3,…,n，j＝1,2,3,…,n，则需将第i对测量电极(2)与差分电极(3)置于激励状态，余下的各对测量电极(2)与差分电极(3)置于检测状态，此时，检测第i对测量电极(2)与差分电极(3)相连的运算放大器(9)的输出电压(6)的幅值V_o^(i,j)；

运算放大器(9)将从所述第j对测量电极(2)及差分电极(3)流入的电流转换为输出电压(6)，与被测电容的关系如下：

$V_o\left(t\right)=-\frac{{\mathrm{j\ωR}}_f(C_m-C_d)}{{\mathrm{j\ωC}}_f{R}_f+1}{V}_i\left(t\right)$

其中，V_i(t)为正向正弦电压信号，ω为正弦信号的角频率，C_m为测量电极(2)与正向激励电极之间的电容值，C_d为差分电极(3)与反向激励电极之间的电容值，由于V_i(t)、R_f、C_f及ω为恒定量，上式可简化为：

C_m-C_d＝k|V_o|

其中，|V_o|为输出电压(6)的幅值，由于C_d为恒定量，k|V_o|实际表示C_m相对于C_d的变化量，则第i对电极与第j对电极之间的电容检测值为：

$C(i,j)=C_m(i,j)-C_d(i,j)=k\left|V_o^{(i,j)}\right|;$

3)通道循环，完成一帧数据测量

所述n对电极的差分式电容层析成像传感器，要完成一帧数据检测，共需检测共n(n-1)/2个电容值，具体操作为：

初始化，令i＝1；

第一步，将第i对测量电极(2)及差分电极(3)置于激励状态，余下各对电极均置于检测状态；对于置于检测状态的各对电极，通过检测各运算放大器(9)的输出电压(6)得到的电容检测值，依次记为：C(i,j)，其中j＝i+1,i+2,…,n；

第二步，令i＝i+1，并执行第一步的操作；

循环执行步骤2)的第二步，当第n-1对测量电极(2)及差分电极(3)处于激励状态并完成检测C(n-1,n)时，终止循环；至此，共得到n(n-1)/2个电容检测值。