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具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明采用提供一種具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器，該傳感器的主體結(jié)構(gòu)部分是由兩層可自由旋轉(zhuǎn)的外層旋轉(zhuǎn)管、內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管圓形管構(gòu)成，在外層旋轉(zhuǎn)管外周設(shè)有屏蔽電極，在所述主體的底部設(shè)置有一固定臺(tái)；電容測(cè)量部分包含有電壓激勵(lì)信號(hào)源、電容測(cè)量電路形成的電容測(cè)量系統(tǒng)及儀器地；內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管的內(nèi)壁上至少粘附一個(gè)激勵(lì)電極，所述外層旋轉(zhuǎn)管的內(nèi)壁上至少粘附一個(gè)測(cè)量電極，并粘附保護(hù)電極。本發(fā)明的效果是采用該結(jié)構(gòu)的傳感器內(nèi)、外兩層旋轉(zhuǎn)管以管道中心為軸自由旋轉(zhuǎn)，從而使附著于旋轉(zhuǎn)管壁上的檢測(cè)電極可對(duì)傳感器的敏感區(qū)域連續(xù)掃描，可從任意角度測(cè)量激勵(lì)電極、測(cè)量電極之間的電容值，可用電容測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)目可比原有傳感器增加10倍乃至100倍以上。
【專利說明】具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種過程成像裝置，特別是一種具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的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(cè)場(chǎng)域邊界的陣列電極獲取一系列的電容測(cè)量值，并利用電容測(cè)量值與被測(cè)場(chǎng)域內(nèi)介質(zhì)分布之間的關(guān)系進(jìn)行圖像的重建，得到被測(cè)場(chǎng)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，位置不可移動(dòng)、不可旋轉(zhuǎn)；且實(shí)施電容測(cè)量時(shí)，I個(gè)激勵(lì)電極與I個(gè)測(cè)量電極以1+1的形式出現(xiàn)。這種情況下，有效的電容測(cè)量值極為有限，為n(n-l)/2，其中η為電極個(gè)數(shù)。由于電極個(gè)數(shù)不多于12，有效的測(cè)量數(shù)僅為66個(gè)。雖然增加電極個(gè)數(shù)η可增加有效測(cè)量數(shù)，但勢(shì)必以減小電極寬度為代價(jià)，隨之而來的是被測(cè)電容的降低，從而對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出更高的精度要求，使硬件成本大幅提高。有鑒于此，研究人員提出一些解決方法。其一，增加電極個(gè)數(shù)的同時(shí)采取多電極并聯(lián)激勵(lì)、并聯(lián)測(cè)量的方法，使測(cè)量電容不致顯著降低，并增加有效的測(cè)量數(shù)。
[0003]清華大學(xué)彭黎輝教授等人設(shè)計(jì)的36電極ECT傳感器，就是采取這種策略。其二，對(duì)已有ECT傳感器改造，增加機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，從不同角度獲取多組電容測(cè)量值，同樣可增加有效測(cè)量數(shù)。如波蘭Lodz大學(xué)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式4電極ECT傳感器。但是，與其他成像技術(shù)相比，ECT的有效測(cè)量數(shù)還是偏少，影響其成像質(zhì)量的進(jìn)一步提高。通常，ECT傳感器采用的固定式電極結(jié)構(gòu)，其角度、位置固定，而使有效測(cè)量數(shù)據(jù)受到很大限制。一直以來，成像分辨率低是ECT難于得到大規(guī)模推廣的根本原因。
[0004]現(xiàn)有ECT采用固定式傳感器，傳感器電極數(shù)目多為8、12、16個(gè)，其能提供的測(cè)量數(shù)據(jù)非常有限，而導(dǎo)致ECT提供的重建圖像分辨率不同。因而，設(shè)計(jì)能夠獲取更多有效測(cè)量數(shù)據(jù)的傳感器關(guān)乎ECT技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展和推廣應(yīng)用，是目前亟待解決的一項(xiàng)技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的ECT傳感器，利用兩層可自由旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)部件，使ECT檢測(cè)電極可對(duì)被測(cè)場(chǎng)域?qū)嵤┒嘟嵌鹊募?lì)、測(cè)量，從而達(dá)到增加有效測(cè)量數(shù)據(jù)、提高ECT圖像分辨率的效果。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器，該傳感器包括有主體結(jié)構(gòu)部分及電容測(cè)量部分，其特征是:所述主體結(jié)構(gòu)部分是由兩層可自由旋轉(zhuǎn)的圓形管構(gòu)成，即兩層之間存有一定間隙的外層旋轉(zhuǎn)管、內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管，在所述外層旋轉(zhuǎn)管外周設(shè)有屏蔽電極，在所述主體的底部設(shè)置有一固定臺(tái)；所述電容測(cè)量部分包含有電壓激勵(lì)信號(hào)源、電容測(cè)量電路形成的電容測(cè)量系統(tǒng)及儀器地；
[0007]所述內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管的內(nèi)壁上至少粘附一個(gè)激勵(lì)電極，所述外層旋轉(zhuǎn)管的內(nèi)壁上至少粘附一個(gè)測(cè)量電極，并粘附保護(hù)電極；電容測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)，激勵(lì)電極與電壓激勵(lì)信號(hào)源相連；測(cè)量電極與電容測(cè)量電路相連，處于虛地電位狀態(tài)；保護(hù)電極與屏蔽電極與儀器地相連，處于地電位。
[0008]本發(fā)明的效果是采用該結(jié)構(gòu)的傳感器內(nèi)、外兩層旋轉(zhuǎn)管以管道中心為軸自由旋轉(zhuǎn)，從而使附著于旋轉(zhuǎn)管壁上的檢測(cè)電極可對(duì)傳感器的敏感區(qū)域連續(xù)掃描，可從任意角度測(cè)量激勵(lì)電極、測(cè)量電極之間的電容值。該結(jié)構(gòu)的傳感器一、可用電容測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)目可比原有傳感器增加10倍乃至100倍以上；二、電極個(gè)數(shù)較原有傳感器減少，從而使電容測(cè)量系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的雙層旋轉(zhuǎn)電極傳感器的整體結(jié)構(gòu)正面剖視圖；
[0010]圖2是本發(fā)明的雙層旋轉(zhuǎn)電極傳感器的整體結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0011]圖3是本發(fā)明的內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管內(nèi)壁電極布置圖；
[0012]圖4是本發(fā)明的外層旋轉(zhuǎn)管展開內(nèi)壁電極布置圖；
[0013]圖5是本發(fā)明的外層旋轉(zhuǎn)管外壁電極布置圖；
[0014]圖6是本發(fā)明的電極連接關(guān)系圖。
[0015]圖中:
[0016]1、外層旋轉(zhuǎn)管 2、內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管 3、固定臺(tái)4、激勵(lì)電極
[0017]5、保護(hù)電極6、測(cè)量電極7、屏蔽電極8、電壓激勵(lì)信號(hào)源
[0018]9、電容測(cè)量電路 10、電容測(cè)量系統(tǒng)11、儀器地
【具體實(shí)施方式】
[0019]結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的ECT傳感器結(jié)構(gòu)加以說明。
[0020]本發(fā)明的具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器，該傳感器包括有主體結(jié)構(gòu)部分及電容測(cè)量部分，所述主體結(jié)構(gòu)部分是由兩層可自由旋轉(zhuǎn)的圓形管構(gòu)成，即兩層之間存有一定間隙的外層旋轉(zhuǎn)管1、內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管2，在所述外層旋轉(zhuǎn)管I外周設(shè)有屏蔽電極7，在所述主體的底部設(shè)置有一固定臺(tái)3 ;所述電容測(cè)量部分包含有電壓激勵(lì)信號(hào)源8、電容測(cè)量電路9形成的電容測(cè)量系統(tǒng)10及儀器地11。
[0021]所述內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管2的內(nèi)壁上至少粘附一個(gè)激勵(lì)電極4，所述外層旋轉(zhuǎn)管I的內(nèi)壁上至少粘附一個(gè)測(cè)量電極6，并粘附保護(hù)電極5 ；電容測(cè)量系統(tǒng)10工作時(shí)，激勵(lì)電極4與電壓激勵(lì)信號(hào)源8相連；測(cè)量電極6與電容測(cè)量電路9相連，處于虛地電位狀態(tài)；保護(hù)電極5與屏蔽電極7與儀器地11相連，處于地電位。
[0022]所述激勵(lì)電極4與電壓激勵(lì)信號(hào)源8相連、測(cè)量電極6與電容測(cè)量電路9連接，通過電容測(cè)量系統(tǒng)10進(jìn)行測(cè)量，或激勵(lì)電極4與電容測(cè)量電路9相連，而測(cè)量電極6與電壓激勵(lì)信號(hào)源8相連時(shí)，仍通過電容測(cè)量系統(tǒng)10進(jìn)行測(cè)量。
[0023] 所述激勵(lì)電極4的形狀為高、寬尺寸可調(diào)整6矩形，粘貼于內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)管2內(nèi)壁的中間位置；測(cè)量電極6的形狀為高、寬尺寸可調(diào)整6矩形，并與激勵(lì)電極4等高，粘貼于外層旋轉(zhuǎn)管I內(nèi)壁的中間位置；保護(hù)電極5緊密包圍測(cè)量電極6，保護(hù)電極5和測(cè)量電極6之間有細(xì)小縫隙，互不導(dǎo)通；保護(hù)電極5與測(cè)量電極6共同均布外層旋轉(zhuǎn)管I的內(nèi)壁，其中可有多個(gè)測(cè)量電極。[0024]所述外層管道1、內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管道2、固定臺(tái)3均采用有機(jī)玻璃或非導(dǎo)電性材料制作。
[0025]所述激勵(lì)電極4、保護(hù)電極5、測(cè)量電極6、屏蔽電極7均采用可導(dǎo)電的金屬薄片制作。
[0026]圖1所示為本發(fā)明的具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的ECT傳感器結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)，所述傳感器的主體包括有內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管2、外層旋轉(zhuǎn)管I。傳感器激勵(lì)電極4、保護(hù)電極5、測(cè)量電極6、屏蔽電極7分別布置于內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管2的內(nèi)壁、外層旋轉(zhuǎn)管I的內(nèi)壁及外壁，圖3給出了激勵(lì)電極的布置圖。測(cè)量電極4粘附于內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管2的內(nèi)壁，形狀為矩形，位于中間位置。圖4為外層旋轉(zhuǎn)管內(nèi)壁電極布置圖。該部分電極由兩部分構(gòu)成，即保護(hù)電極5和測(cè)量電極6。本實(shí)施例中，包含激勵(lì)電極4及測(cè)量電極6各一，但本發(fā)明亦可采用其他電極數(shù)目。圖5是外層旋轉(zhuǎn)管I的外壁電極布置圖，構(gòu)成了傳感器的屏蔽電極7。
[0027]如圖2?4所示，內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管2內(nèi)部區(qū)域?yàn)閭鞲衅鞯拿舾袇^(qū)域，置于其中的介質(zhì)因其介電常數(shù)、分布不同，而導(dǎo)致電容測(cè)量值不同，電容及其變化可被一對(duì)ECT檢測(cè)電極測(cè)量。與此不同，雙層旋轉(zhuǎn)電極的旋轉(zhuǎn)部件可由步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及手動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，可以極小的角度步長(zhǎng)Θ，其中Θ =360 □ /N，其中N為正整數(shù)，表示旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周所需的步數(shù)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使得其得以在整個(gè)圓周上擁有N個(gè)觀測(cè)角度。在此，N可為大于12的正整數(shù)，一般普通ECT傳感器中的電極個(gè)數(shù)為12。
[0028]如圖1、2所示，本發(fā)明的具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的ECT傳感器的結(jié)構(gòu)主體是由兩層可自由旋轉(zhuǎn)的圓形管道構(gòu)成。其中，兩層旋轉(zhuǎn)管道的材質(zhì)為有機(jī)玻璃或其他非導(dǎo)電性材料；兩層旋轉(zhuǎn)管的高度相同，在本例中高度為300mm;內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管道2、外兩層管道I的內(nèi)徑外徑分別為:100mm、110mm、115mm、125cm。在內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管道2及外層旋轉(zhuǎn)管道I之間存有一定間隙，即為2.5mm，使兩管道在旋轉(zhuǎn)時(shí)不致產(chǎn)生接觸和摩擦。
[0029]為方便安裝旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，在傳感器的底部設(shè)置有一固定臺(tái)3。固定臺(tái)3也可作為測(cè)試物的支撐臺(tái)。固定臺(tái)3的材質(zhì)與管道相同，均可以采用有機(jī)玻璃或其他非導(dǎo)電性材料制作。
[0030]在本傳感器中，參與檢測(cè)的電極有激勵(lì)電極4及測(cè)量電極6，如圖3、圖4所示。在進(jìn)行電容檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)電極4與電壓激勵(lì)信號(hào)源8產(chǎn)生的電壓激勵(lì)信號(hào)相連；測(cè)量電極6與電容測(cè)量電路9相連。激勵(lì)電極4及測(cè)量電極6可互換。其中，信號(hào)源提供的激勵(lì)信號(hào)為幅值20V，頻率IMHz的正弦交流電壓信號(hào)。如圖4所示，測(cè)量電極6與保護(hù)電極5之間由一狹縫相隔離。當(dāng)測(cè)量電極6工作時(shí)，其處于虛地電位；此時(shí)，保護(hù)電極5接儀器地11，從而使測(cè)量電極與保護(hù)電極處于等電位狀態(tài)。在外層旋轉(zhuǎn)管I的外壁布置有屏蔽電極7，如圖5所示，同樣與儀器地11相連。這種狀態(tài)有利于隔絕外部電場(chǎng)對(duì)管道內(nèi)電場(chǎng)的影響，提高電容測(cè)量的精度。此時(shí)，激勵(lì)電極4、保護(hù)電極5、測(cè)量電極6與屏蔽電極7具有特定電位，在內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管2內(nèi)形成電場(chǎng)。其中，該電場(chǎng)的電勢(shì)分布可由麥克斯韋電磁場(chǎng)方程組確定。
[0031]內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管2、外層旋轉(zhuǎn)管I均可自由旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)方式可采用步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及手動(dòng)等方式。以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式為例，可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位精度0.01°。當(dāng)設(shè)定最小步進(jìn)角為1°時(shí)，激勵(lì)電極4、測(cè)量電極6可分別達(dá)到360個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，即N=360。此種情況下，激勵(lì)及測(cè)量電極所有可能的角度組合可達(dá)到360*360=129600個(gè)。與之相比，通常的12電極ECT傳感器的所有可能的角度組合僅有66個(gè)。
[0032]以上對(duì)本發(fā)明進(jìn)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(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。
【權(quán)利要求】
1.一種具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器，該傳感器包括有主體結(jié)構(gòu)部分及電容測(cè)量部分，其特征是:所述主體結(jié)構(gòu)部分是由兩層可自由旋轉(zhuǎn)的圓形管構(gòu)成，即兩層之間存有一定間隙的外層旋轉(zhuǎn)管(I)、內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管(2)，在所述外層旋轉(zhuǎn)管(I)外周設(shè)有屏蔽電極(7)，在所述主體的底部設(shè)置有一固定臺(tái)(3);所述電容測(cè)量部分包含有電壓激勵(lì)信號(hào)源(8)、電容測(cè)量電路(9)形成的電容測(cè)量系統(tǒng)(10)及儀器地(11)； 所述內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管(2)的內(nèi)壁上至少粘附一個(gè)激勵(lì)電極(4)，所述外層旋轉(zhuǎn)管(I)的內(nèi)壁上至少粘附一個(gè)測(cè)量電極(6)，并粘附保護(hù)電極(5);電容測(cè)量系統(tǒng)(10)工作時(shí)，激勵(lì)電極(4)與電壓激勵(lì)信號(hào)源(8)相連；測(cè)量電極(6)與電容測(cè)量電路(9)相連，處于虛地電位狀態(tài)；保護(hù)電極(5)與屏蔽電極(7)與儀器地(11)相連，處于地電位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器，其特征是:所述激勵(lì)電極(4)與電壓激勵(lì)信號(hào)源(8)相連、測(cè)量電極(6)與電容測(cè)量電路(9)連接，通過電容測(cè)量系統(tǒng)(10)進(jìn)行測(cè)量，或激勵(lì)電極(4)與電容測(cè)量電路(9)相連，而測(cè)量電極(6)與電壓激勵(lì)信號(hào)源(8)相連時(shí)，仍通過電容測(cè)量系統(tǒng)(10)進(jìn)行測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器，其特征是:所述激勵(lì)電極(4)的形狀為高、寬尺寸可調(diào)整(6)矩形，粘貼于內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)管(2)內(nèi)壁的中間位置；測(cè)量電極(6)的形狀為高、寬尺寸可調(diào)整(6)矩形，并與激勵(lì)電極(4)等高，粘貼于外層旋轉(zhuǎn)管(I)內(nèi)壁的中間位置；保護(hù)電極(5)緊密包圍測(cè)量電極(6)，保護(hù)電極(5)和測(cè)量電極(6)之間有細(xì)小縫隙，互不導(dǎo)通；保護(hù)電極(5)與測(cè)量電極(6)共同均布外層旋轉(zhuǎn)管(I)的內(nèi)壁，其中可有多個(gè)測(cè)量電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器，其特征是:所述外層管道(I)、內(nèi)層旋轉(zhuǎn)管道(2)、固定臺(tái)(3)均采用有機(jī)玻璃或非導(dǎo)電性材料制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器，其特征是:所述激勵(lì)電極(4)、保護(hù)電極(5)、測(cè)量電極(6)、屏蔽電極(7)均采用可導(dǎo)電的金屬薄片制作。
【文檔編號(hào)】G01N27/22GK103454318SQ201310420106
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】崔自強(qiáng), 王化祥 申請(qǐng)人:天津大學(xué)