差分式電容層析成像傳感器的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種過程成像裝置，特別是一種采用差分電極的差分式電容層析成像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography, ECT)系統(tǒng)依賴布置于被測場域邊界的陣列電極獲取一系列的電容測量值，并利用電容測量值與被測場域內(nèi)介質(zhì)分布之間的關系進行圖像的重建，得到被測場域內(nèi)介質(zhì)分布圖像。傳感器是ECT系統(tǒng)信息的源泉。通常ECT傳感器的電極個數(shù)為8、12或16個電極/層，并可構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)；且實施電容測量時，I個激勵電極與I個測量電極以1+1的形式出現(xiàn)。這種情況下，有效的電容測量值為η (n-1)/2，其中η為電極個數(shù)。當電極個數(shù)為12時，有效的測量數(shù)僅為66個。ECT多用于工業(yè)管道測量，傳感器截面為圓形，電極均勻分布于圓周。由于傳感器的結(jié)構(gòu)特點，使得各電極對之間的電容數(shù)值差別很大。以12電極ECT傳感器為例，相鄰電極之間的電容、相對電極之間的電容分別為0.5pF、0.01pF。此外，ECT測量主要為獲得電容變化量而非電容的絕對數(shù)值。但是，實際測量中，電容基礎值又遠高于電容變化量(僅為0.1?10fF)。這就要求ECT測量電路具有很高的動態(tài)測量范圍和測量精度。
[0003]ECT圖像重建所需數(shù)據(jù)為電容變化量，電容的基礎值(ECT稱為空場值)對圖像重建結(jié)果并無影響。消除電容基礎值可有效的降低被測電容的動態(tài)范圍，有助于提高ECT系統(tǒng)的性能。相鄰電極之間電容遠大于其他電極對的電容，可相差10倍以上，在實踐中往往放棄測量相鄰電極電容值，以減少被測電容的動態(tài)測量范圍；然而，這種做法進一步減少電容測量數(shù)據(jù)，無益于提高ECT圖像重建質(zhì)量。徑向屏蔽電極可有效降低相鄰電極之間的電容基礎值，并已在ECT傳感器設計中廣泛使用。徑向屏蔽電極是在各測量電極之間嵌入接地屏蔽電極，隔斷相鄰電極在成像區(qū)域外側(cè)電場線，從而減少電容值。從測量的角度考慮，徑向屏蔽電極有益無害，但在傳感器制作比較困難。而且，相鄰電極在成像區(qū)域內(nèi)仍有電場線相連，由于空氣的相對介電常數(shù)為1，仍會有相當大的電容基礎值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種差分式電容層析成像傳感器，利用差分測量有原理，由差分電極對電容抵消測量電極對的電容基礎值，使ECT檢測電路可直接測量電容變化量，從而達到降低被測電容動態(tài)范圍、提高電容測量精度的效果。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種差分式電容層析成像傳感器，其中:該傳感器包括有測量電極、差分電極、絕緣管道、外屏蔽層、保護電極，所述外屏蔽層設于絕緣管道的外部，所述測量電極、差分電極多個成對對稱均勻分布于絕緣管道與外屏蔽層之間相連，所述測量電極緊貼于絕緣管道上，在絕緣管道的上部及下部均設有保護電極，上部及下部的保護電極均對應每個測量電極。
[0006]所述測量電極、差分電極至少為四對。
[0007]本發(fā)明的效果是采用該結(jié)構(gòu)的傳感器各差分電極之間的電容數(shù)值接近于各測量電極之間的電容基礎值，由于激勵時在差分電極上施加反相的正弦電壓激勵信號，根據(jù)差分原理可將各測量電極之間的電容基礎值抵消，使被測電容的動態(tài)范圍降低，有利于提高電容測量的精度。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器的縱截面視圖；
[0009]圖2是圖1的A-A剖視圖。
[0010]圖中:
[0011]1、外屏蔽層2、測量電極3、差分電極4、絕緣管道
[0012]5、保護電極
【具體實施方式】
[0013]結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器結(jié)構(gòu)加以說明。
[0014]本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器設計思想是該傳感器的外屏蔽層I位于最外側(cè)，與儀器地相連，起到隔離外界干擾的作用。所述測量電極2與差分電極3之間絕緣.電容測量系統(tǒng)工作時，其中一個測量電極2與正相正弦電壓激勵信號相連，對應的差分電極3與反相正弦電壓激勵信號相連；其余各對測量電極2、差分電極3之間由模擬電子開關分別相連并接至電容測量電路，處于虛地電位。
[0015]本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器結(jié)構(gòu)是，該傳感器包括有測量電極2、差分電極3、絕緣管道4、外屏蔽層1、保護電極5，所述外屏蔽層I設于絕緣管道4的外部，所述測量電極2、差分電極3多個成對對稱均勻分布于絕緣管道4與外屏蔽層I之間相連，其中測量電極2緊貼于絕緣管道4上，在絕緣管道4上部及下部均設有保護電極5，上部及下部的保護電極5均對應每個測量電極2。
[0016]所述測量電極2、差分電極3至少為四對。所述測量電極2、差分電極3至少設置一層。所述保護電極5至少設置一層。
[0017]本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器結(jié)構(gòu)功能是這樣實現(xiàn)的:
[0018]圖1所示為本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器的縱截面視圖，所述差分式電容層析成像傳感器的主體包括有外屏蔽層1、8個測量電極2、8個差分電極3、絕緣管道4及其上、下部各8個保護電極5。測量電極2與差分電極3成對出現(xiàn)，差分電極3位于測量電極2外側(cè)，均勻分布于絕緣管道4軸向的外圍。在每個測量電極2的上、下方各對應設置一個保護電極5。
[0019]圖2為圖1中A處的橫截剖面視圖。差分式電容層析成像傳感器工作時，其中一測量電極2處于正相激勵狀態(tài)；與此測量電極2對應的差分電極3處于反相激勵狀態(tài)。其余7個測量電極2分別與對應的差分電極3通過模擬電子開關實現(xiàn)電氣相連，處于虛地狀態(tài)。當此次測量完成后，使下一個測量電極2處于激勵狀態(tài)，進行測量.如此循環(huán)，使激勵狀態(tài)遍歷各測量電極2，完成所有測量。各保護電極5的電位和對應的測量電極2的電位相同，可為正相激勵狀態(tài)或接地狀態(tài)。
[0020]本實施例中，包含測量電極2及差分電極3各8個，但亦可采用其他電極數(shù)目，如4、6、8、12、16 等數(shù)目。
[0021]本實施例中，測量電極2位于絕緣管道4管道外側(cè)，但亦可采用絕緣管道4內(nèi)側(cè)安裝測量電極2的方式；此時差分電極3可安裝于絕緣管道4內(nèi)側(cè)或外側(cè)，但仍位于測量電極2外側(cè)。
[0022]本實施例中，測量電極2及差分電極3在軸向上只設置一層，但亦可在軸向上布置多層；此時，保護電極5可為兩層，分別布置于軸向兩端，亦可布置三層或多層，分別布置于絕緣管道4軸向兩側(cè)或兩層測量電極2之間(軸向上。
[0023]在本實施例中，傳感器橫截面為圓形，但本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器結(jié)構(gòu)亦適用于方形或其他形狀。
[0024]如圖1、2所示，本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器的結(jié)構(gòu)主體是由測量電極、差分電極及外屏蔽層安裝于管道外側(cè)構(gòu)成。其中，絕緣管道4的材質(zhì)為有機玻璃或其他絕緣材料，內(nèi)徑外徑分別為:80mm、100mm ;各測量電極2與差分電極3對應的弧度相同，在本實施例中弧度為40度；軸向長度相同，在本實施例中為150_。測量電極2緊貼于絕緣管道4外壁，可認為測量電極2所在圓周直徑為10mm ;差分電極3位于測量電極2外側(cè)，二者之間絕緣，差分電極3所在圓周的直徑為104mm。
[0025]由于各測量電極2之間的電容存在基礎電容值，而各差分電極3之間的電容數(shù)值與此基礎電容值接近，因而可籍此抵消各測量電極2之間電容的基礎電容值。當成像區(qū)域內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)/分布變化后，各測量電極2之間的電容會發(fā)生變化；而各差分電極3之間的電容并不受此影響，由于差分原理，測量電路可直接測量電容變化量而非電容的絕對數(shù)值，從而大幅降低被測電容的動態(tài)范圍。
[0026]以上對本發(fā)明進行示意性描述，并不局限于此，附圖中所示只有是本發(fā)明的實施方式之一，若本領域研宄人員在不脫離本發(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，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種差分式電容層析成像傳感器，其特征是:該傳感器包括有測量電極(2)、差分電極(3)、絕緣管道(4)、外屏蔽層(I)、保護電極(5)，所述外屏蔽層(I)設于絕緣管道(4)的外部，所述測量電極(2)、差分電極(3)多個成對對稱均勻分布于絕緣管道(4)與外屏蔽層(I)之間相連，所述測量電極(2)緊貼于絕緣管道(4)上，在絕緣管道(4)上部及下部均設有保護電極(5)，上部及下部的保護電極(5)均對應每個測量電極(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述差分式電容層析成像傳感器，其特征是:所述測量電極(2)、差分電極⑶至少為四對。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述差分式電容層析成像傳感器，其特征是:所述測量電極(2)、差分電極(3)至少設置一層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述差分式電容層析成像傳感器，其特征是:所述保護電極(5)至少設置一層。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種差分式電容層析成像傳感器，該傳感器包括有測量電極、差分電極、絕緣管道、外屏蔽層、保護電極，所述外屏蔽層設于絕緣管道的外部，所述測量電極、差分電極多個成對對稱均勻分布于絕緣管道與外屏蔽層之間相連，其中測量電極緊貼于絕緣管道上，在絕緣管道的上部及下部均設有保護電極，上部及下部的保護電極均對應每個測量電極。本發(fā)明的效果是采用該結(jié)構(gòu)的傳感器各差分電極之間的電容數(shù)值接近于各測量電極之間的電容基礎值，由于激勵時在差分電極上施加反相的正弦電壓激勵信號，根據(jù)差分原理可將各測量電極之間的電容基礎值抵消，使被測電容的動態(tài)范圍降低，有利于提高電容測量的精度。
【IPC分類】G01N27-22
【公開號】CN104569083
【申請?zhí)枴緾N201510017115
【發(fā)明人】崔自強, 王化祥
【申請人】天津大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月14日