專(zhuān)利名稱(chēng)：電極組合式層析成像電容傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電容層析成像領(lǐng)域，具體涉及一種用于微小電容的測(cè)量和管道截面中介質(zhì)成像的電極組合式層析成像電容傳感器。
背景技術(shù)：
電容層析成像(ElectricalCapacitance Tomography,ECT)技術(shù)是一種基于電容敏感機(jī)理并應(yīng)用于過(guò)程檢測(cè)中的成像技術(shù)，自上世紀(jì)八十年代中后期提出以來(lái)，由于具有非侵入、響應(yīng)快、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，贏得了廣泛關(guān)注并取得了很大發(fā)展。電容層析成像系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)陣列極板電容變化，反映管道內(nèi)多相介質(zhì)介電常數(shù)分布，從而構(gòu)造出管道截面中各相介質(zhì)的分布圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)封閉管道、容器等過(guò)程設(shè)備內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的二、三維可視化監(jiān)測(cè)，并從圖像中提取特征參數(shù)進(jìn)而參與過(guò)程控制。目前已在氣/油和氣/固兩相流、流 化床等方面得到初步應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)的電容層析成像系統(tǒng)通常由ECT電容傳感器、小電容測(cè)量系統(tǒng)和圖像重建系統(tǒng)三大部分組成。ECT電容傳感器包括N個(gè)電極(N通常為8、12或16)，現(xiàn)有的電容層析成像方法是依次測(cè)量這N個(gè)電極相互之間構(gòu)成的NX (N-I)/2個(gè)電容值，采用逆運(yùn)算和圖像重建技術(shù)來(lái)生成反映管道截面介質(zhì)分布的圖像。在電容層析成像系統(tǒng)中，ECT電容傳感器各電極之間的電容通常都小于lpF(l(T12法拉)，由管道和容器內(nèi)介質(zhì)介電常數(shù)變化引起的電容變化量通常在fF (10_15法拉)量級(jí)，并且容易受到系統(tǒng)內(nèi)耦合電容和雜散電容的影響，因此對(duì)小電容測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出了很高的要求。當(dāng)前，小電容測(cè)量系統(tǒng)一般采用精密相敏解調(diào)電路或阻抗分析儀來(lái)構(gòu)成，其生產(chǎn)成本占整個(gè)電容層析成像系統(tǒng)成本的80%以上。Wuqiang Yang對(duì)電容層析成像傳感器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了系統(tǒng)的分析(Modellingof capacitance tomography sensors, IET Proc. -Sci. Technol.，Vol. 144，No. 5，1997);王化祥等人采用有限元法分析了陣列電極結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)測(cè)量的影響，對(duì)電容層析成像系統(tǒng)陣列電極進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)(電容層析成像系統(tǒng)陣列電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)，天津大學(xué)學(xué)報(bào)，Vol. 36, No. 3, 2003);王雷等人用有限元法對(duì)電容層析成像系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行了分析，得到了在不同管徑下的靈敏場(chǎng)分布(電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，Vol. 19，No. 4, 2005);王志春對(duì)電容層析成像傳感器進(jìn)行了仿真分析，研究了傳感器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)傳感器性能的影響(電容層析成像(ECT)系統(tǒng)陣列傳感器的仿真研究，包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，第25卷第3期，2006年)。但至今為止，尚未見(jiàn)到關(guān)于電極組合式電容層析成像傳感器的報(bào)道。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種電容容量大、生產(chǎn)成本低、測(cè)量及成像速度快、成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電極組合式層析成像電容傳感器。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種電極組合式層析成像電容傳感器，包括具有多個(gè)感應(yīng)電極的電容傳感器本體、用于將相鄰的至少兩個(gè)感應(yīng)電極選通組合成一個(gè)大電極并輸出的電極組合輸出單元，所述感應(yīng)電極分別與電極組合輸出單元相連。作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)所述電極組合輸出單元包括用于選擇感應(yīng)電極輸出通路的多個(gè)選通開(kāi)關(guān)和用于將相同輸出通路的感應(yīng)電極組合輸出的多個(gè)輸出電極，所述選通開(kāi)關(guān)與感應(yīng)電極對(duì)應(yīng)，所述選通開(kāi)關(guān)具有一個(gè)輸入通路和至少兩個(gè)輸出通路，且所述選通開(kāi)關(guān)的輸入通路與對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電極相連，相鄰的至少兩個(gè)所述選通開(kāi)關(guān)分別通過(guò)一個(gè)輸出通路與同一個(gè)輸出電極相連。所述選通開(kāi)關(guān)為單刀三擲數(shù)字開(kāi)關(guān)。
所述輸出電極的數(shù)量與感應(yīng)電極的數(shù)量相同。所述多個(gè)感應(yīng)電極呈環(huán)形布置。電容傳感器本體還包括絕緣管和套設(shè)于絕緣管上的屏蔽罩，所述多個(gè)感應(yīng)電極分別均勻粘附固定于所述絕緣管的外壁上或者屏蔽罩的內(nèi)壁上。本實(shí)用新型具有下述優(yōu)點(diǎn)I、本實(shí)用新型包括具有多個(gè)感應(yīng)電極的電容傳感器本體、用于將相鄰的至少兩個(gè)感應(yīng)電極選通組合成一個(gè)大電極并輸出的電極組合輸出單元，通過(guò)電極組合輸出單元將至少兩個(gè)感應(yīng)電極選通組合成一個(gè)大電極并輸出來(lái)增大被測(cè)電容的容量，降低了對(duì)小電容測(cè)量系統(tǒng)的要求，能夠解決小電容測(cè)量難度大、成本高的問(wèn)題，能夠大幅度地簡(jiǎn)化電容層析成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本，具有非侵入、響應(yīng)快、無(wú)輻射、電容容量大、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。2、本實(shí)用新型通過(guò)電極組合輸出單元將至少兩個(gè)感應(yīng)電極選通組合成一個(gè)大電極并輸出，能夠利用較少的電極組合根據(jù)順序組合檢測(cè)多種電容值，電極組合后需要測(cè)量的電容值大幅減少，有利于提高電容的測(cè)量速度和系統(tǒng)的成像速度，具有測(cè)量及成像速度快的優(yōu)點(diǎn)；而且在組合式能夠?qū)崿F(xiàn)按順序循環(huán)進(jìn)行選擇，使得組合后各感應(yīng)電極之間的電容同樣能夠反映出管道內(nèi)多相介質(zhì)介電常數(shù)的分布，系統(tǒng)的成像質(zhì)量并不會(huì)受到影響，具有成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

圖I為本實(shí)用新型實(shí)施例的電路原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例電極單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖例說(shuō)明1、電容傳感器本體；11、感應(yīng)電極；12、絕緣管；13、屏蔽罩；2、電極組合輸出單元；21、選通開(kāi)關(guān)；22、輸出電極。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本實(shí)施例的電極組合式層析成像電容傳感器包括具有多個(gè)感應(yīng)電極
11(1A、2A，......，12A)的電容傳感器本體I、用于將相鄰的至少兩個(gè)感應(yīng)電極11選通組合
成一個(gè)大電極并輸出的電極組合輸出單兀2,感應(yīng)電極11分別與電極組合輸出單兀2相連。本實(shí)施例將12個(gè)感應(yīng)電極11通過(guò)多個(gè)選通開(kāi)關(guān)21選通組合成一個(gè)大電極來(lái)增大被測(cè)電容的容量，降低了對(duì)小電容測(cè)量系統(tǒng)的要求，能夠解決小電容測(cè)量難度大、成本高的問(wèn)題，同時(shí)使得需要測(cè)量的電容數(shù)量由66個(gè)減少為18個(gè)，因此電極組合后需要測(cè)量的電容數(shù)量大幅減少，有利于提高電容的測(cè)量速度和系統(tǒng)的成像速度，具有測(cè)量及成像速度快的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)施例的電極組合輸出單元2包括用于選擇感應(yīng)電極11輸出通路的多個(gè)選通開(kāi)關(guān)21 (1B、2B，……，12B)和用于將相同輸出通路的感應(yīng)電極11組合輸出的多個(gè)輸出電極22 (1C、2C，……，12C)，選通開(kāi)關(guān)21與感應(yīng)電極11——對(duì)應(yīng)，選通開(kāi)關(guān)21具有一個(gè)輸入通路和至少兩個(gè)輸出通路，且選通開(kāi)關(guān)21的輸入通路與對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電極11相連，相鄰的至少兩個(gè)選通開(kāi)關(guān)21分別通過(guò)一個(gè)輸出通路與同一個(gè)輸出電極22相連。本實(shí)施例中，輸出電極22的數(shù)量與感應(yīng)電極11的數(shù)量相同，輸出電極22的數(shù)量與感應(yīng)電極11的數(shù)量均為12個(gè)。本實(shí)施例的選通開(kāi)關(guān)21為單刀三擲數(shù)字開(kāi)關(guān)，具有一個(gè)輸入通路和三個(gè)輸出通路。12個(gè)選通開(kāi)關(guān)21 (1B、2B，……，12B)能夠通過(guò)一個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行控制，相鄰的三個(gè)選通開(kāi)關(guān)21分別通過(guò)一個(gè)輸出通路分別與同一個(gè)輸出電極22相連，因此電極組合輸出單元2最終是將相鄰的三個(gè)感應(yīng)電極11選通組合成一個(gè)大電極并輸出，從而能夠通過(guò)控制信號(hào) 將三個(gè)感應(yīng)電極11按順序動(dòng)態(tài)地組合為4個(gè)大的電極，從而擴(kuò)大感應(yīng)電極11的面積來(lái)增加電容的容量。如圖I所示，本實(shí)施例中感應(yīng)電極IA與選通開(kāi)關(guān)IB對(duì)應(yīng)，感應(yīng)電極2A與選通開(kāi)關(guān)2B對(duì)應(yīng)，以此類(lèi)推，感應(yīng)電極12A與選通開(kāi)關(guān)12B對(duì)應(yīng)。每一個(gè)選通開(kāi)關(guān)21包含三個(gè)輸出觸點(diǎn)，對(duì)應(yīng)三個(gè)輸出通道，位于上方的#1觸點(diǎn)，位于中間的#2觸點(diǎn)和位于下方的#3觸點(diǎn)。IB的輸入通路與IA相連，2B的輸入通路與2A相連，以此類(lèi)推，12B的輸入通路與12A相連。相鄰的選通開(kāi)關(guān)1B、2B、3B分別通過(guò)#1觸點(diǎn)與輸出電極IC相連，相鄰的選通開(kāi)關(guān)2B、3B、4B分別通過(guò)#2觸點(diǎn)與輸出電極2C相連，相鄰的選通開(kāi)關(guān)3B、4B、5B分別通過(guò)#3觸點(diǎn)與輸出電極3C相連，相鄰的選通開(kāi)關(guān)4B、5B、6B分別通過(guò)#1觸點(diǎn)與輸出電極4C相連，相鄰的選通開(kāi)關(guān)5B、6B、7B分別通過(guò)#2觸點(diǎn)與輸出電極5C相連，以此類(lèi)推，相鄰的選通開(kāi)關(guān)12B、1B、2B分別通過(guò)#3觸點(diǎn)與輸出電極12C相連。如圖2所示，本實(shí)施例的多個(gè)感應(yīng)電極11呈環(huán)形布置。電容傳感器本體I還包括絕緣管12和套設(shè)于絕緣管12上的屏蔽罩13，本實(shí)施例多個(gè)感應(yīng)電極11分別均勻粘附固定于絕緣管12的外壁上，此外也可以將多個(gè)感應(yīng)電極11分別均勻粘附固定于屏蔽罩13的內(nèi)壁上。感應(yīng)電極11沿著絕緣管12軸向的長(zhǎng)度一般為絕緣管12的直徑的I. 25倍。本實(shí)施例在應(yīng)用于電容層析成像時(shí)電容的測(cè)量分為3個(gè)周期進(jìn)行，具體操作步驟如下I)在第I個(gè)測(cè)量周期，通過(guò)控制信號(hào)控制12個(gè)選通開(kāi)關(guān)21 (1B、2B，……，12B)均置于上方的#1觸點(diǎn)，此時(shí)感應(yīng)電極1A、2A、3A相當(dāng)于通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極IC相連；感應(yīng)電極4A、5A、6A通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極4C相連；感應(yīng)電極7A、8A、9A通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極7C相連；感應(yīng)電極10A、11A、12A通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極IOC相連。然后測(cè)量1(、4(、7(、10(這4個(gè)輸出電極相互之間構(gòu)成的6個(gè)電容的電容值Cl C6。2)在第2個(gè)測(cè)量周期，通過(guò)控制信號(hào)控制12個(gè)選通開(kāi)關(guān)21 (1B、2B，……，12B)均置于中間的#2觸點(diǎn)，此時(shí)感應(yīng)電極2A、3A、4A相當(dāng)于通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極2C相連；感應(yīng)電極5A、6A、7A相當(dāng)于通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極5C相連；感應(yīng)電極8A、9A、10A相當(dāng)于通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極8C相連；感應(yīng)電極11A、12A、1A相當(dāng)于通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極IlC相連。然后測(cè)量2C、5C、8C、11C這4個(gè)輸出電極相互之間構(gòu)成的6個(gè)電容的值C7 C12。3)在第3個(gè)測(cè)量周期，通過(guò)控制信號(hào)控制12個(gè)選通開(kāi)關(guān)21 (1B、2B，……，12B)均置于下方的#3觸點(diǎn)，此時(shí)感應(yīng)電極3A、4A、5A相當(dāng)于通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極3C相連；感應(yīng)電極6A、7A、8A相當(dāng)于通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極6C相連；感應(yīng)電極9A、10AU1A相當(dāng)于通過(guò)導(dǎo)線連接并與輸出電極9C相連；感應(yīng)電極12A、1A、2A相當(dāng)于通過(guò)導(dǎo)線連接并與輸出電極12C相連。然后測(cè)量3C、6C、9C、12C這4個(gè)輸出電極相互之間構(gòu)成的6個(gè)電容的值C13 C18。4)最終，利用上述Cl C18這18個(gè)電容的測(cè)量值，采用逆運(yùn)算和圖像重建技術(shù)，就可以生成反映管道截面介質(zhì)分布的圖像。以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不僅局限于 上述實(shí)施例，凡屬于本實(shí)用新型思路下的技術(shù)方案均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種電極組合式層析成像電容傳感器，其特征在于包括具有多個(gè)感應(yīng)電極(11)的電容傳感器本體(I)、用于將相鄰的至少兩個(gè)感應(yīng)電極(11)選通組合成一個(gè)大電極并輸出的電極組合輸出單元(2)，所述感應(yīng)電極(11)分別與電極組合輸出單元(2)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電極組合式層析成像電容傳感器，其特征在于所述電極組合輸出單元(2)包括用于選擇感應(yīng)電極(11)輸出通路的多個(gè)選通開(kāi)關(guān)(21)和用于將相同輸出通路的感應(yīng)電極(11)組合輸出的多個(gè)輸出電極(22)，所述選通開(kāi)關(guān)(21)與感應(yīng)電極(11)一一對(duì)應(yīng)，所述選通開(kāi)關(guān)(21)具有一個(gè)輸入通路和至少兩個(gè)輸出通路，且所述選通開(kāi)關(guān)(21)的輸入通路與對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電極(11)相連，相鄰的至少兩個(gè)所述選通開(kāi)關(guān)(21)分別通過(guò)一個(gè)輸出通路與同一個(gè)輸出電極(22)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電極組合式層析成像電容傳感器，其特征在于所述選通開(kāi)關(guān)(21)為單刀三擲數(shù)字開(kāi)關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電極組合式層析成像電容傳感器，其特征在于所述輸出電極(22)的數(shù)量與感應(yīng)電極(11)的數(shù)量相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電極組合式層析成像電容傳感器，其特征在于所述多個(gè)感應(yīng)電極(11)呈環(huán)形布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電極組合式層析成像電容傳感器，其特征在于電容傳感器本體(I)還包括絕緣管(12)和套設(shè)于絕緣管(12)上的屏蔽罩(13),所述多個(gè)感應(yīng)電極(11)分別均勻粘附固定于所述絕緣管(12)的外壁上或者屏蔽罩(13)的內(nèi)壁上。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種電極組合式層析成像電容傳感器，包括具有多個(gè)感應(yīng)電極(11)的電容傳感器本體(1)、用于將相鄰的至少兩個(gè)感應(yīng)電極(11)選通組合成一個(gè)大電極并輸出的電極組合輸出單元(2)，感應(yīng)電極(11)分別與電極組合輸出單元(2)相連。本實(shí)用新型具有電容容量大、生產(chǎn)成本低、測(cè)量及成像速度快、成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R27/26GK202661433SQ20122015018
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者陳棣湘, 田武剛, 張琦, 李季, 潘孟春 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)