本發(fā)明屬于電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)領(lǐng)域，具體涉及一種層析成像傳感器。

背景技術(shù)：
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ECT是一種用于測量并顯示被測區(qū)域內(nèi)兩種或多種混合絕緣(非導(dǎo)電)材料的分布狀況的技術(shù)，這些材料包括：石油，天然氣，塑料高分子聚合物，玻璃等，當(dāng)ECT傳感器測量管壁為絕緣材料時(shí)，就能夠以非侵入，非接觸式的測量方式完成數(shù)據(jù)采集與圖像重組的任務(wù)。其基本原理與結(jié)構(gòu)為：利用一組多極板(金屬導(dǎo)電材料)圍繞于測量管道內(nèi)壁或外壁，并對每一對獨(dú)立電極對進(jìn)行測量；根據(jù)測量得到的獨(dú)立電容值，推導(dǎo)計(jì)算管內(nèi)混合物質(zhì)的電容率分布。

由于所測量的管內(nèi)混合物質(zhì)的各成分的分布需要ECT傳感器進(jìn)行測定，而混合物質(zhì)的成分分布的測量精度與測量電容值和電極占空比有關(guān)。通常ECT傳感器的陣列電極為固定式，即電極個(gè)數(shù)固定，多為8，12個(gè)，尺寸固定，電容大小和占空比不可調(diào)整，故傳感器難達(dá)到理想的測量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種可變電容的層析成像傳感器。本發(fā)明的傳感器，具有外置和內(nèi)置電極層，其中內(nèi)置層可相對外置層軸向旋轉(zhuǎn)和拉伸，以在無需改變當(dāng)前傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟硬件系統(tǒng)的情況下，達(dá)到與被測混合物成分分布相適應(yīng)的測量電容和電極占空比，進(jìn)而可以提高ECT成像質(zhì)量。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種可變電容的層析成像傳感器，包括外置電極層和內(nèi)置電極層，兩電極層呈現(xiàn)同軸布置的兩層圓筒形管結(jié)構(gòu)，其中，內(nèi)置電極層的管壁外表面均勻嵌入n個(gè)電極，外置電極層的內(nèi)壁均勻布置有n個(gè)電極；外置電極層和內(nèi)置電極層，一層固定，另一層可沿其軸向平移和旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)置電極層的n個(gè)電極的外側(cè)分別與外置電極層的n個(gè)電極內(nèi)側(cè)接觸，以改變電極的占空比和面積；在內(nèi)置電極層和外置電極層電極接觸時(shí)，一層固定，另一層沿其軸向平移，從而改變電極的面積。

優(yōu)選地，外置電極層固定，內(nèi)置電極層的角位移使用伺服電機(jī)來精確控制。內(nèi)置電極層安裝在內(nèi)置電極層安裝座上，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與連桿一端鉸接，連桿另一端與設(shè)置在內(nèi)置電極層外環(huán)面上的通孔鉸接，然后穿過設(shè)置在內(nèi)置電極層安裝座上的環(huán)形孔，內(nèi)置電極層、伺服電機(jī)、連桿和內(nèi)置電極層安裝座形成四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置電極層繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，內(nèi)置電極層安裝座上的環(huán)形孔能夠限制連桿的末端的擺動，進(jìn)而限制內(nèi)置電極層的旋轉(zhuǎn)范圍。

在底座上設(shè)置有滑槽，滑槽與內(nèi)置電極層和外置電極層的軸向相平行，固定內(nèi)置電極層的安裝座在伺服電動推桿的作用能夠沿著滑槽移動。

本發(fā)明的效果是采用同軸雙層圓筒形管結(jié)構(gòu)的傳感器，內(nèi)置電極層沿軸向相對外置電極層旋轉(zhuǎn)，可使電極的占空比在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，同時(shí)使電極面積發(fā)生變化；進(jìn)一步通過內(nèi)置電極層軸向平移，使電極面積連續(xù)調(diào)整。通過內(nèi)置電極層的旋轉(zhuǎn)和平移，實(shí)現(xiàn)電極占空比和面積的獨(dú)立連續(xù)調(diào)整，達(dá)到電極占空比和測量電容值連續(xù)獨(dú)立調(diào)整的目的。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的可變電容傳感器的總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本發(fā)明的內(nèi)置電極層結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為本發(fā)明的外置電極層結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為本發(fā)明的內(nèi)置電極層安裝座

圖5為本發(fā)明的內(nèi)置電極層、內(nèi)置電極層安裝座、伺服電機(jī)和連桿組成的四連桿伺服旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖6為本發(fā)明的可變電容傳感器的初始位置示意圖

圖7為本發(fā)明的內(nèi)置電極層沿軸向旋轉(zhuǎn)一定角度后的傳感器軸測圖

圖8為本發(fā)明的內(nèi)置電極層沿軸向移動一定距離后的傳感器軸測圖

圖9為本發(fā)明的內(nèi)置電極層旋轉(zhuǎn)一定角度并軸向移動一定距離后的傳感器軸測圖

附圖標(biāo)記說明如下：1、底座2、外置電極層3、內(nèi)置電極層安裝座4、內(nèi)置電極層5、伺服電動推桿6、伺服電機(jī)7、連桿8、內(nèi)置電極層嵌入電極9、內(nèi)置電極層圓管10、外置電極層內(nèi)壁電極11、外置電極層圓管

具體實(shí)施方式：

結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的可變電容的層析成像傳感器的結(jié)構(gòu)及原理予以說明。

本發(fā)明的傳感器由底座1、外置電極層2、內(nèi)置電極層安裝座3、內(nèi)置電極層4、伺服電動推桿5、伺服電機(jī)6、連桿7組成。內(nèi)置電極層4由嵌入管壁的12個(gè)電極8和圓管9組成，外置電極層2由其內(nèi)壁均勻布置的12個(gè)電極10和圓管11和組成。內(nèi)置電極層4、伺服電機(jī)6、連桿7均安裝在內(nèi)置電極層安裝座3上，其中內(nèi)置電極層4套裝在內(nèi)置電極層安裝座3上，能夠繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)6固定在內(nèi)置電極層安裝座3，伺服電機(jī)6的轉(zhuǎn)軸與連桿7一端鉸接，連桿7另一端與內(nèi)置電極層外環(huán)面上的一個(gè)通孔鉸接再穿過內(nèi)置電極層安裝座上的環(huán)形孔。

鉸接，從而使內(nèi)置電極層4、伺服電機(jī)6、連桿7和內(nèi)置電極層安裝座3形成四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置電極層4繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，內(nèi)置電極層安裝座3上的環(huán)形孔能夠限制連桿7的末端的擺動，進(jìn)而限制內(nèi)置電極層4的旋轉(zhuǎn)范圍。外置電極層2固定在底座1上，在底座1上設(shè)置有滑槽，滑槽與內(nèi)置電極層和外置電極層的軸向相平行，內(nèi)置電極層安裝座3能夠沿著滑槽移動，內(nèi)置電極層4和外置電極層2同軸，內(nèi)置電極層安裝座3能夠在伺服電動推桿5的推動下沿外置電機(jī)層2的軸線移動，從而實(shí)現(xiàn)外置電極層2和內(nèi)置電極層4的相對位移。通過上述結(jié)構(gòu)，使外置電極層2和內(nèi)置電極層4共軸形成圓柱副。內(nèi)置電極層4其上的12個(gè)電極8的外側(cè)可分別與外置電極層2的12個(gè)電極10內(nèi)側(cè)接觸，通過兩電極層相對移動和旋轉(zhuǎn)，改變電極的占空比和面積。兩電極層的相對移動和旋轉(zhuǎn)分別通過伺服電動推桿和伺服電機(jī)精確控制，實(shí)現(xiàn)對電極的占空比和面積的精確調(diào)節(jié)。

外置電極層2的圓管11和內(nèi)置電極層4的圓管9均采用有機(jī)玻璃或非導(dǎo)電性材料制作。

外置電極層2的內(nèi)壁電極10和內(nèi)置電極層4的嵌入電極8均采用可導(dǎo)電的金屬薄片制作。

外置電極層2的內(nèi)壁電極10形狀為矩形，粘貼于圓管11的內(nèi)壁，并通過導(dǎo)線引出，該電極10既作為激勵電極也作為測量電極，測量方式和數(shù)據(jù)采集方式均與常用的ECT傳感器一樣。

內(nèi)置電極層4的嵌入電極8形狀為矩形，有一定厚度，貫穿于圓管9，電極8的外側(cè)與電極10接觸時(shí)，等效電極并聯(lián)，當(dāng)電極10作為激勵電極或測量電極時(shí)，與電極10相接觸的電極8的內(nèi)側(cè)等效為相應(yīng)的激勵電極或測量電極。

以電極占空比為70％、電極寬為12mm、電極長為36mm為例說明可變電容傳感器的原理。電極8和電極10均采用寬為12mm和長為36mm的矩形電極，其材質(zhì)為可導(dǎo)電的金屬薄片。內(nèi)置電極層4在伺服電機(jī)6的控制下連續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到如圖7所示位置時(shí)，內(nèi)置電極層4的嵌入電極8的外側(cè)與外置電極層2的內(nèi)壁電極10接觸，電極8和電極10等效并聯(lián)為一個(gè)電極，該等效電極的寬為16mm，長仍為36mm。此時(shí)，等效電極的占空比達(dá)到93％，電極面積增大約1.3倍；同理當(dāng)內(nèi)置電極層4在伺服電動推桿5的控制下沿軸向移動到如圖8所示位置時(shí)，等效電極的長為42mm，寬仍為16mm。此時(shí)，等效電極的面積增大1.2倍。由于ECT系統(tǒng)的測量電壓與測量電極對間的電容值成正比關(guān)系，且電極對間的電容值與電極面積成正比關(guān)系，因此，在本例的旋轉(zhuǎn)和軸向平移情況下，電極的占空比提高23％且測量電容值提高1.3和1.2倍。進(jìn)一步通過伺服電動推桿5和伺服電機(jī)6的共同作用，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置電極層4和外置電機(jī)層2的移動并旋轉(zhuǎn)，可進(jìn)一步靈活調(diào)節(jié)電極的占空比，如圖9所示。

以上對本發(fā)明進(jìn)行示意性描述，但并不局限于此，附圖中所示只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，若本領(lǐng)域研究人員在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，提出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)形式，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。