一种可实现静电传感器空间灵敏度均匀化的前置放大电路的制作方法

1.本发明属于气固两相流在线测量技术范围，特别涉及一种可实现静电传感器空间灵敏度均匀化的前置放大电路。


背景技术：

2.气固两相流广泛存在于电力、冶金、化工、医药、食品等多个工业领域，对其流动参数的在线精确测量是实现相关工业过程优化控制的必要条件。粉体颗粒在气力输送过程中由于碰撞、摩擦而携带一定量的静电荷，采用静电传感器检测带电颗粒经过电极附近时引起的电场波动，可实现粉体流速、浓度、质量流量等参数的在线测量。静电传感器由于结构简单、成本低廉、被动式测量等优点，被认为是最具应用前景的气固两相流在线测量方法。现有的静电传感器前置放大电路主要采用电荷放大器或跨阻放大器将电极输出的感应电荷信号或感应电流信号(即感应电荷信号对时间的导数)转换为电压信号，而感应电荷量依赖于颗粒与电极之间的距离，这种空间灵敏度(定义为感应电荷量与源电荷量之比)的不均匀特性使得电极只对其附近的颗粒具有较高的灵敏度，从而在测量浓度分布和速度廓形不均匀的粉体流时具有显著误差。
3.为了克服上述缺陷，本发明提出一种可实现静电传感器空间灵敏度均匀化的前置放大电路。该电路采用具有极高输入阻抗的运算放大器构建电压跟随器，对带电颗粒在电极上产生的感应电位进行缓冲，通过电容抵消电路、自举偏置电路和保护环减小运算放大器的等效输入电容、提高其等效输入电阻，从而降低颗粒与电极之间耦合电容(可看作空间灵敏度的一种量化形式)对运算放大器输出电压的影响，达到空间灵敏度均匀化的目的。本发明能够使气力输送管道截面内不同位置的颗粒在电极上产生的感应电位趋于一致，从而降低气送粉体流动参数测量误差，尤其在管径较大、粉体分布不均匀的工况下具有明显效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可实现静电传感器空间灵敏度均匀化的前置放大电路，其特征在于，所述前置放大电路采用由运算放大器构成的电压跟随器，对带电颗粒在电极上产生的感应电位信号进行缓冲，并实现阻抗变换；所述前置放大电路采用电容抵消电路构成正反馈，降低运算放大器的等效输入电容，提高输入阻抗；所述前置放大电路采用自举偏置电路为运算放大器的输入偏置电流提供通路，稳定直流工作点，并通过正反馈提高等效输入电阻；所述前置放大电路使用所述电压跟随器驱动保护环，以抑制漏电流，降低等效输入电容，并屏蔽外界电磁干扰。
5.所述运算放大器应具有极高输入阻抗(不低于10
14
ω为宜)和极低输入电容(不高于10pf为宜)，且在单位增益下稳定。
6.所述电容抵消电路由可调增益同相放大电路和电容串联构成，将所述电压跟随器的输出反馈至其同相输入端，通过调节所述同相放大电路的增益，抵消电压跟随器的等效
输入电容。
7.所述自举偏置电路采用两个串接的电阻将所述电压跟随器的同相输入端连接至地，并使用一个电容连接所述电压跟随器的输出端至所述两个电阻的中间节点，通过正反馈使其中一个偏置电阻两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高等效输入电阻。
8.所述静电传感器电极与接地的管壁之间设置金属屏蔽层；所述静电传感器电极就地连接所述前置放大电路，当受安装条件限制需使用电缆连接时，应使用三同轴电缆。
9.所述保护环包围所述电压跟随器、所述自举偏置电路、所述电容抵消电路的电容，并连接所述三同轴电缆的中间屏蔽层、所述电极与管壁之间的金属屏蔽层、以及多层印制电路板上与所述信号调理电路相邻的内电层，从而对感应电位信号的输入端进行等电位保护。
10.在理想情况下，所述前置放大电路的等效输入电容为零，等效输入电阻为无穷大，则所述电压跟随器的输出电压为颗粒静电电位，颗粒与电极之间的距离对输出电压的影响完全消除，从而实现静电传感器灵敏度的均匀化。
11.本发明的有益效果是：拓宽了静电传感器的敏感区域，使敏感区域内不同位置的颗粒对输出信号的贡献趋于一致，有利于提高粉体流动参数测量精度。
附图说明
12.图1为静电传感器前置放大电路模型。
13.图中：1.粉体颗粒；2.气力输送管道；3.电极；4.绝缘层；5.耦合电容；6.运算放大器；7.偏置电阻；8.等效输入电容。
14.图2为静电传感器前置放大电路原理图。
具体实施方式
15.本发明提供一种可实现静电传感器空间灵敏度均匀化的前置放大电路。下面结合附图和实施例对本发明予以说明如下：
16.图1所示为静电传感器前置放大电路模型。图中，粉体颗粒1在接地的气力输送管道2内运动，由于碰撞、摩擦而携带一定量的静电荷，从而具有静电电位vs。在气力输送管道2的内壁嵌入环形金属电极3，二者之间设置绝缘层4。粉体颗粒1与电极3之间具有耦合电容5，由于静电感应，电极3上产生感应电位v
in
。运算放大器6构成电压跟随器并连接电极3，对其感应电位v
in
进行缓冲，并将电极3的高阻抗输入转换为低阻抗输出。偏置电阻7为运算放大器6提供输入偏置电流通路，稳定其直流工作点。等效输入电容8包括运算放大器6的管脚输入电容、电极3与运算放大器6之间电缆的分布电容、电极3与气力输送管道2之间的分布电容。由图1所示前置放大电路模型，可推导出运算放大器6的输出电压vo为：
[0017][0018]
其中，rb表示偏置电阻7，cs表示耦合电容5，c
in
表示等效输入电容8。由式(1)可以看出，当rb趋于无穷大、c
in
趋于零时，满足vo≈vs，即运算放大器6的输出电压与耦合电容5无关，而耦合电容5的大小表征静电传感器的空间灵敏度，从而说明静电传感器的空间灵敏度
实现了均匀化。
[0019]
图2所示为静电传感器前置放大电路原理图。图中，带电颗粒建模为交变电压源vs，颗粒与电极之间的耦合电容为cs，运算放大器a1构成电压跟随器，电压源vs通过耦合电容cs连接电压跟随器，实现感应电位信号的缓冲与电极的阻抗变换。运算放大器a1具有极高输入阻抗和极低输入电容，可选用静电计级运算放大器ada4530-1，lmp7721等。电阻r
b1
与r
b2
为运算放大器a1提供输入偏置电流通路，折中考虑阻值与噪声的影响，可选用100mω金属膜电阻。电容cb将运算放大器a1的输出电压vo反馈至电阻r
b2
，使电阻r
b2
两端近似为等电位，从而减小向输入回路索取电流，提高等效输入电阻。考虑电容cb对信号带宽的影响，其容量可选为10uf。为减小运算放大器a1的等效输入电容，将其输出电压vo通过电容抵消电路反馈至同相输入端，其中运算放大器a2与电阻r
n1
、r
n2
构成同相放大电路，并与电容cn串联，由密勒定理可推导出运算放大器a1的等效输入电容为：
[0020]ci
′n＝c
in-(k-1)cnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0021]
其中，k为同相放大电路的增益(1 r
n2
/r
n1
)。电阻r
n2
选用电位计，通过调节增益k，能够使等效输入电容ci′n趋于零。运算放大器a1驱动低阻抗保护环，在印制电路板上保护环包围运算放大器a1、自举偏置电路的r
b1
、r
b2
与cb、以及电容抵消电路的电容cn；本发明采用四层印制电路板制作，位于顶层的保护环连接至相邻的内电层；采用三同轴电缆连接电极与前置放大电路，保护环连接至电缆的中间层，其外屏蔽层接地；此外，电极与管壁之间设置金属屏蔽层，保护环通过三同轴电缆的中间层连接至该金属屏蔽层，以降低电极对地的电容。