專利名稱：電極組合式層析成像電容傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電容層析成像領域，具體涉及一種用于微小電容的測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：
電容層析成像(ElectricalCapacitance Tomography,ECT)技術是一種基于電容敏感機理并應用于過程檢測中的成像技術，自上世紀八十年代中后期提出以來，由于具有非侵入、響應快、無輻射等優(yōu)點，贏得了廣泛關注并取得了很大發(fā)展。電容層析成像系統(tǒng)通過檢測陣列極板電容變化，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)對封閉管道、容器等過程設備內(nèi)物體運動狀態(tài)的二、三維可視化監(jiān)測，并從圖像中提取特征參數(shù)進而參與過程控制。目前已在氣/油和氣/固兩相流、流 化床等方面得到初步應用。現(xiàn)有技術的電容層析成像系統(tǒng)通常由ECT電容傳感器、小電容測量系統(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量這N個電極相互之間構(gòu)成的NX (N-I)/2個電容值，采用逆運算和圖像重建技術來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，并且容易受到系統(tǒng)內(nèi)耦合電容和雜散電容的影響，因此對小電容測量系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提出了很高的要求。當前，小電容測量系統(tǒng)一般采用精密相敏解調(diào)電路或阻抗分析儀來構(gòu)成，其生產(chǎn)成本占整個電容層析成像系統(tǒng)成本的80%以上。Wuqiang Yang對電容層析成像傳感器的數(shù)學模型進行了系統(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)對測量的影響，對電容層析成像系統(tǒng)陣列電極進行了優(yōu)化設計(電容層析成像系統(tǒng)陣列電極的優(yōu)化設計，天津大學學報，Vol. 36, No. 3, 2003);王雷等人用有限元法對電容層析成像系統(tǒng)的傳感器進行了分析，得到了在不同管徑下的靈敏場分布(電子測量與儀器學報，Vol. 19，No. 4, 2005);王志春對電容層析成像傳感器進行了仿真分析，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，包頭鋼鐵學院學報，第25卷第3期，2006年)。但至今為止，尚未見到關于電極組合式電容層析成像傳感器的報道。
實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題是提供一種電容容量大、生產(chǎn)成本低、測量及成像速度快、成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡單的電極組合式層析成像電容傳感器。為了解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案為一種電極組合式層析成像電容傳感器，包括具有多個感應電極的電容傳感器本體、用于將相鄰的至少兩個感應電極選通組合成一個大電極并輸出的電極組合輸出單元，所述感應電極分別與電極組合輸出單元相連。作為上述技術方案的進一步改進所述電極組合輸出單元包括用于選擇感應電極輸出通路的多個選通開關和用于將相同輸出通路的感應電極組合輸出的多個輸出電極，所述選通開關與感應電極對應，所述選通開關具有一個輸入通路和至少兩個輸出通路，且所述選通開關的輸入通路與對應的感應電極相連，相鄰的至少兩個所述選通開關分別通過一個輸出通路與同一個輸出電極相連。所述選通開關為單刀三擲數(shù)字開關。
所述輸出電極的數(shù)量與感應電極的數(shù)量相同。所述多個感應電極呈環(huán)形布置。電容傳感器本體還包括絕緣管和套設于絕緣管上的屏蔽罩，所述多個感應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。本實用新型具有下述優(yōu)點I、本實用新型包括具有多個感應電極的電容傳感器本體、用于將相鄰的至少兩個感應電極選通組合成一個大電極并輸出的電極組合輸出單元，通過電極組合輸出單元將至少兩個感應電極選通組合成一個大電極并輸出來增大被測電容的容量，降低了對小電容測量系統(tǒng)的要求，能夠解決小電容測量難度大、成本高的問題，能夠大幅度地簡化電容層析成像系統(tǒng)的設計，降低生產(chǎn)成本，具有非侵入、響應快、無輻射、電容容量大、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點。2、本實用新型通過電極組合輸出單元將至少兩個感應電極選通組合成一個大電極并輸出，能夠利用較少的電極組合根據(jù)順序組合檢測多種電容值，電極組合后需要測量的電容值大幅減少，有利于提高電容的測量速度和系統(tǒng)的成像速度，具有測量及成像速度快的優(yōu)點；而且在組合式能夠?qū)崿F(xiàn)按順序循環(huán)進行選擇，使得組合后各感應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)量并不會受到影響，具有成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。
圖I為本實用新型實施例的電路原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型實施例電極單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖例說明1、電容傳感器本體；11、感應電極；12、絕緣管；13、屏蔽罩；2、電極組合輸出單元；21、選通開關；22、輸出電極。
具體實施方式
如圖I所示，本實施例的電極組合式層析成像電容傳感器包括具有多個感應電極
11(1A、2A，......，12A)的電容傳感器本體I、用于將相鄰的至少兩個感應電極11選通組合
成一個大電極并輸出的電極組合輸出單兀2,感應電極11分別與電極組合輸出單兀2相連。本實施例將12個感應電極11通過多個選通開關21選通組合成一個大電極來增大被測電容的容量，降低了對小電容測量系統(tǒng)的要求，能夠解決小電容測量難度大、成本高的問題，同時使得需要測量的電容數(shù)量由66個減少為18個，因此電極組合后需要測量的電容數(shù)量大幅減少，有利于提高電容的測量速度和系統(tǒng)的成像速度，具有測量及成像速度快的優(yōu)點。本實施例的電極組合輸出單元2包括用于選擇感應電極11輸出通路的多個選通開關21 (1B、2B，……，12B)和用于將相同輸出通路的感應電極11組合輸出的多個輸出電極22 (1C、2C，……，12C)，選通開關21與感應電極11——對應，選通開關21具有一個輸入通路和至少兩個輸出通路，且選通開關21的輸入通路與對應的感應電極11相連，相鄰的至少兩個選通開關21分別通過一個輸出通路與同一個輸出電極22相連。本實施例中，輸出電極22的數(shù)量與感應電極11的數(shù)量相同，輸出電極22的數(shù)量與感應電極11的數(shù)量均為12個。本實施例的選通開關21為單刀三擲數(shù)字開關，具有一個輸入通路和三個輸出通路。12個選通開關21 (1B、2B，……，12B)能夠通過一個控制信號進行控制，相鄰的三個選通開關21分別通過一個輸出通路分別與同一個輸出電極22相連，因此電極組合輸出單元2最終是將相鄰的三個感應電極11選通組合成一個大電極并輸出，從而能夠通過控制信號 將三個感應電極11按順序動態(tài)地組合為4個大的電極，從而擴大感應電極11的面積來增加電容的容量。如圖I所示，本實施例中感應電極IA與選通開關IB對應，感應電極2A與選通開關2B對應，以此類推，感應電極12A與選通開關12B對應。每一個選通開關21包含三個輸出觸點，對應三個輸出通道，位于上方的#1觸點，位于中間的#2觸點和位于下方的#3觸點。IB的輸入通路與IA相連，2B的輸入通路與2A相連，以此類推，12B的輸入通路與12A相連。相鄰的選通開關1B、2B、3B分別通過#1觸點與輸出電極IC相連，相鄰的選通開關2B、3B、4B分別通過#2觸點與輸出電極2C相連，相鄰的選通開關3B、4B、5B分別通過#3觸點與輸出電極3C相連，相鄰的選通開關4B、5B、6B分別通過#1觸點與輸出電極4C相連，相鄰的選通開關5B、6B、7B分別通過#2觸點與輸出電極5C相連，以此類推，相鄰的選通開關12B、1B、2B分別通過#3觸點與輸出電極12C相連。如圖2所示，本實施例的多個感應電極11呈環(huán)形布置。電容傳感器本體I還包括絕緣管12和套設于絕緣管12上的屏蔽罩13，本實施例多個感應電極11分別均勻粘附固定于絕緣管12的外壁上，此外也可以將多個感應電極11分別均勻粘附固定于屏蔽罩13的內(nèi)壁上。感應電極11沿著絕緣管12軸向的長度一般為絕緣管12的直徑的I. 25倍。本實施例在應用于電容層析成像時電容的測量分為3個周期進行，具體操作步驟如下I)在第I個測量周期，通過控制信號控制12個選通開關21 (1B、2B，……，12B)均置于上方的#1觸點，此時感應電極1A、2A、3A相當于通過導線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極IC相連；感應電極4A、5A、6A通過導線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極4C相連；感應電極7A、8A、9A通過導線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極7C相連；感應電極10A、11A、12A通過導線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極IOC相連。然后測量1(、4(、7(、10(這4個輸出電極相互之間構(gòu)成的6個電容的電容值Cl C6。2)在第2個測量周期，通過控制信號控制12個選通開關21 (1B、2B，……，12B)均置于中間的#2觸點，此時感應電極2A、3A、4A相當于通過導線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極2C相連；感應電極5A、6A、7A相當于通過導線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極5C相連；感應電極8A、9A、10A相當于通過導線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極8C相連；感應電極11A、12A、1A相當于通過導線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極IlC相連。然后測量2C、5C、8C、11C這4個輸出電極相互之間構(gòu)成的6個電容的值C7 C12。3)在第3個測量周期，通過控制信號控制12個選通開關21 (1B、2B，……，12B)均置于下方的#3觸點，此時感應電極3A、4A、5A相當于通過導線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極3C相連；感應電極6A、7A、8A相當于通過導線連接構(gòu)成大電極并與輸出電極6C相連；感應電極9A、10AU1A相當于通過導線連接并與輸出電極9C相連；感應電極12A、1A、2A相當于通過導線連接并與輸出電極12C相連。然后測量3C、6C、9C、12C這4個輸出電極相互之間構(gòu)成的6個電容的值C13 C18。4)最終，利用上述Cl C18這18個電容的測量值，采用逆運算和圖像重建技術，就可以生成反映管道截面介質(zhì)分布的圖像。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，本實用新型的保護范圍并不僅局限于 上述實施例，凡屬于本實用新型思路下的技術方案均屬于本實用新型的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
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感應電極(11)的電容傳感器本體(I)、用于將相鄰的至少兩個感應電極(11)選通組合成一個大電極并輸出的電極組合輸出單元(2)，所述感應電極(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)包括用于選擇感應電極(11)輸出通路的多個選通開關(21)和用于將相同輸出通路的感應電極(11)組合輸出的多個輸出電極(22)，所述選通開關(21)與感應電極(11)一一對應，所述選通開關(21)具有一個輸入通路和至少兩個輸出通路，且所述選通開關(21)的輸入通路與對應的感應電極(11)相連，相鄰的至少兩個所述選通開關(21)分別通過一個輸出通路與同一個輸出電極(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關(21)為單刀三擲數(shù)字開關。
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感應電極(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)和套設于絕緣管(12)上的屏蔽罩(13),所述多個感應電極(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。
專利摘要本實用新型公開了一種電極組合式層析成像電容傳感器，包括具有多個感應電極(11)的電容傳感器本體(1)、用于將相鄰的至少兩個感應電極(11)選通組合成一個大電極并輸出的電極組合輸出單元(2)，感應電極(11)分別與電極組合輸出單元(2)相連。本實用新型具有電容容量大、生產(chǎn)成本低、測量及成像速度快、成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。
文檔編號G01R27/26GK202661433SQ20122015018
公開日2013年1月9日 申請日期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 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學