專利名稱：：非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的電容成像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電容成像領(lǐng)域，特別涉及一種非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的電容成像傳感器。
背景技術(shù)：
：兩相流是指由兩種組分構(gòu)成的混合流動狀態(tài)，其廣泛存在于自然界和工業(yè)領(lǐng)域。兩相流參數(shù)的準確測量對提高生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。由于兩相流流動特性極為復(fù)雜，其參數(shù)測量一直是急需解決而迄今又未能很好予以解決的重要研究課題。電容成像(ElectricalCapacitanceTomography,ECT)由于其簡單、廉價及非侵入等特點，是近年來發(fā)展起來的一種新型兩相流檢測方法，也是目前最具工業(yè)前景的兩相流可視化檢測技術(shù)之一。電容成像中所使用的傳感器由均勻圍繞在管道周圍的一圈電極構(gòu)成，電極數(shù)通常取8個、12個，有時也可用16個，要根據(jù)需要和條件確定。根據(jù)管道形狀，電極一般分為圓形和方形兩種。為防止外界靜電對電極內(nèi)部的干擾，一般還需要在電極兩端以及電極外側(cè)包裹上保護電極和屏蔽殼，二者都接地。電容成像的基本原理是在流體流動管道的某一截面上，任意兩個電極均可組成一個兩端子電容。管道內(nèi)兩相流動介質(zhì)的不同相分布會引起電容電極間綜合介電常數(shù)變化，從而會改變電容值的大小。依次在每個電極上施加激勵，測量它和其余電極所構(gòu)成的兩端子電容的電容值，這樣對于N個電極構(gòu)成的成像系統(tǒng)，獨立測量的電容值數(shù)目為N(N-1)/2。電容成像通過測量不同極板組合間的電容值來重構(gòu)傳感器內(nèi)部介電常數(shù)分布并以圖像的方式顯示，這一過程被稱為圖像重建。電容成像的圖像重建是一個典型的病態(tài)反應(yīng)問題，獨立測量數(shù)的增加有助于提高圖像重建質(zhì)量。目前已見報道的電容成像系統(tǒng)通常使用的電極數(shù)為8、12和16，與之對應(yīng)的獨立測量電容數(shù)分別是28、66和120，而成像區(qū)域的剖分數(shù)則為上千，使得電容成像問題是個不適定問題。通過簡單地增加電容成像傳感器電極數(shù)目N可以大大增加獨立測量數(shù)，這有助于提高圖像重建質(zhì)量，但電極數(shù)的增加會減小每個電極的等效寬度，從而使得任意兩個電極組合間的電容值也隨之減小，這給獲取不同電極間的電容帶來了新的困難，本發(fā)明旨在增加電容成像傳感器電極數(shù)目的同時，通過特殊的激勵及測量方法能在不要求提高測量系統(tǒng)分辨率的情況下顯著提高獨立測量數(shù)目，從而改善圖像重建質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的電容成像傳感器，其特征在于，將多個連續(xù)的傳感器電極dj以不同個數(shù)電極dj分別組成多組組合電極；多組組合電極連接為一個整體進行激勵和測量，在進行測量時，由構(gòu)成激勵電極的組合電極施加激勵電壓，利用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA進行通道切換，分別測量這些組合電極與激勵組合電極間的電容值，即每次的第一組合電極均為激勵組合電極，其余10個均為測量組合電極；只是在第一組合電極上施加激勵電壓，分別測量這些組合電極與激勵組合電極間的電容值，對構(gòu)成測量電極的組合電極上的電荷值進行測量。所述構(gòu)成測量電極的組合電極數(shù)隨著與激勵電極的組合電極數(shù)之間的距離增大而增大，即構(gòu)成與激勵電極組合相鄰的測量電極組合的電極數(shù)少，等效的測量電極寬度小；而構(gòu)成與激勵電極組合相對的測量電極組合的電極數(shù)多，等效的測量電極寬度大。所述電極轉(zhuǎn)過一個電極后，構(gòu)成與之前相同數(shù)目和寬度的新的組合電極進行激勵和測量，以此類推，直到所有的由連續(xù)電極構(gòu)成的激勵組合電極均被激勵過。利用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA實現(xiàn)上述激勵信號的控制，電極狀態(tài)的調(diào)整，進行通道切換，以完成非對稱組合電極一個周期的測量。本發(fā)明的有益效果是，將多個連續(xù)的傳感器電極組合為一個整體進行激勵和測量，能有效的提高電容成像獨立測量數(shù)目，使得激勵和測量電極的位置和角度更加自由，從而能獲得更多被測截面的投影信息，提高圖像重建的質(zhì)量；同時，通過增大相對等效電極的寬度，減小相鄰等效電極的寬度，在一定程度上補償了由于中心區(qū)域敏感度低而給圖像重建帶來的困難，也減小了電容動態(tài)測量范圍，增大了最小測量電容值，從而易于實際電路的實現(xiàn)。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。圖l是由72個電極dj構(gòu)成的一種非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的電容成像傳感器，圖1(a)為激勵組合電極由電極1-6構(gòu)成時的結(jié)構(gòu)，圖l(b)為各電極組合均轉(zhuǎn)過一個電極寬度后，即激勵組合電極由電極2-7構(gòu)成時的結(jié)構(gòu)。圖2是由FPGA控制模擬開關(guān)陣列將不同電極相連構(gòu)成非對稱組合電極的實現(xiàn)方式。圖3是圖1所示的不對稱組合電極結(jié)構(gòu)傳感器典型的敏感場分布。(a)測量極板組合為極板7-9;(b)測量極板組合為極板10-15;(c)測量極板組合為極板16-21;(d)測量極板組合為極板22-30;(e)測量極板組合為極板31-39。圖4是基于圖1所示的不對稱組合電極結(jié)構(gòu)傳感器測量數(shù)據(jù)的圖像重建結(jié)果。具體實施例方式圖1給出的非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的傳感器，圖l(a)為激勵電極組合由電極l-6構(gòu)成時的結(jié)構(gòu)，圖l(b)為各電極組合均轉(zhuǎn)過一個電極寬度后，即激勵電極組合由電極2-7構(gòu)成時的結(jié)構(gòu)。以72電極構(gòu)成的一種非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的電容成像傳感器為例，在圖l(a)中，在成像截面上設(shè)置72個電極dj，為便于描述按逆時針方向?qū)㈦姌O依次按172編號，將72個電極dj按{1-6}、{7-9}、{10-15}、{16-21}、{22-30}、{31-39}、{40-48}、{49-57}、{58—63}、{64—69}和{70-72}的順序分別組合為第一組合電極A、第二組合電極B，第三組合電極C、直到第十一組合電極K;在系統(tǒng)工作過程中，利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)電極的組合控制以及電極狀態(tài)的調(diào)整，首先利用FPGA控制電極U-6}個電極dj組合的第一組合電極A，并在其上施加激勵電壓，由接下來的連續(xù)的3個電極{7-9}組合的第二組合電極B、同理接下來的連續(xù)的6個、6個、9個、9個、9個、9個、6個、6個、3個電極dj組合的第三組合電極C、第四組合電極D、第五組合電極E、第六組合電極F、第七組合電極G、第八組合電極H、第九組合電極I、第十組合電極J、第十一組合電極K;然后利用FPGA改變電極組合和調(diào)整各電極狀態(tài)，達到將各電極組合均轉(zhuǎn)過一個電極寬度的效果，即在圖l(b)中，從電極2開始按圖l(a)組合規(guī)律，{2-7}6個電極組合成第一組合電極A，由接下來的連續(xù)的3個、6個、6個、9個、9個、9個、9個、6個、6個、3個電極分別組成測量電極，并測量電容值，即每次的第一組合電極A均為激勵組合電極，其余10個均為測量組合電極；只是在第一組合電極A上施加激勵電壓，分別測量這些測量組合電極與激勵組合電極間的電容值；以此類推，直到所有的由6個連續(xù)電極構(gòu)成的組合電極均被激勵過，由于每次激勵均有10個測量數(shù)據(jù)，因此，采用這種測量模式共可獲得720個獨立測量數(shù)據(jù)，從而大大增加了獨立測量電容數(shù)。同樣的，還可以利用72電極構(gòu)成其他非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的傳感器，也可以利用其他電極數(shù)目的電容成像系統(tǒng)來構(gòu)成非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的傳感器，因此，符合本發(fā)明所提出的非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的傳感器包括但不限于圖1所示的例子。圖2給出了與此對應(yīng)的通過FPGA控制模擬開關(guān)陣列將不同電極相連作為激勵電極和測量電極從而構(gòu)成非對稱組合電極的方式，其中圖2(b)給出了以電極1-6構(gòu)成組合電極施加激勵信號，電極7-9構(gòu)成組合電極進行檢測時為例的開關(guān)陣列開閉情況。圖3為與其部分敏感場分布。表1是不同測量傳感器下電容動態(tài)測量范圍和最小測量電容值的對比，其中，電容動態(tài)測量范圍&定義為空管測量中最大與最小電容值的比值，C^表示空管測量中的最小電容值。由于組合電極中存在間隙，使得等效電極寬度變小，導(dǎo)致電容動態(tài)測量范圍增大，從表中的結(jié)果可以看出，與傳統(tǒng)的12電極傳感器相比，不對稱組合電極結(jié)構(gòu)的傳感器通過增大相對測量電極等效寬度，減小相鄰電極等效寬度，可以使得電容動態(tài)測量范圍在變化不大的同時，能有效的提高最小測量電容值，并獲得更多的獨立測量電容值。圖4為基于圖1所示的不對稱組合電極結(jié)構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)的圖像重建結(jié)果，分別采用三種流型分布作為仿真對象，采用線性反投影(Linearback-projection,LBP)算法進行了圖像重建，按照a原始流型;b傳統(tǒng)的12電極傳感器;c.非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的傳感器對三類傳感器測量數(shù)據(jù)的成像圖像結(jié)果進行了重建，從重建圖像可以看出，基于不對稱組合電極結(jié)構(gòu)的傳感器測量數(shù)據(jù)的成像結(jié)果要優(yōu)于基于傳統(tǒng)12電極傳感器測量數(shù)據(jù)的成像結(jié)果。表1不同測量傳感器對電容測量范圍的影口向<table>complextableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1.一種非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的電容成像傳感器，其特征在于，將多個連續(xù)的傳感器電極dj以不同個數(shù)電極dj分別組成多組組合電極；多組組合電極連接為一個整體進行激勵和測量，在進行測量時，由構(gòu)成激勵電極的組合電極施加激勵電壓，利用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA進行通道切換，分別測量這些組合電極與激勵組合電極間的電容值，即每次的第一組合電極均為激勵組合電極，其余10個均為測量組合電極；只是在第一組合電極上施加激勵電壓，分別測量這些組合電極與激勵組合電極間的電容值，對構(gòu)成測量電極的組合電極上的電荷值進行測量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的電容成像傳感器，其特征在于，所述構(gòu)成測量電極的組合電極數(shù)隨著與激勵電極的組合電極數(shù)之間的距離增大而增大，即構(gòu)成與激勵電極組合相鄰的測量電極組合的電極數(shù)少，等效的測量電極寬度??；而構(gòu)成與激勵電極組合相對的測量電極組合的電極數(shù)多，等效的測量電極寬度大。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的電容成像傳感器，其特征在于，所述電極轉(zhuǎn)過一個電極后，構(gòu)成與之前相同數(shù)目和寬度的新的電極組合進行激勵和測量，以此類推，直到所有的由連續(xù)電極構(gòu)成的激勵電極組合均被激勵過；利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)上述激勵信號的控制，電極狀態(tài)的調(diào)整，進行通道切換，以完成非對稱組合電極一個周期的測量。全文摘要本發(fā)明公開了屬于電容成像領(lǐng)域的一種非對稱組合電極結(jié)構(gòu)的電容成像傳感器。將多個連續(xù)的傳感器電極dj以不同個數(shù)電極dj分別組成組合電極多組；多組組合電極連接為一個整體進行激勵和測量，在進行測量時，由構(gòu)成激勵電極的組合電極施加激勵電壓，利用FPGA進行通道切換，分別測量這些組合電極與激勵組合電極間的電容值，即對構(gòu)成測量電極的組合電極上的電荷值進行測量。與傳統(tǒng)的電容成像傳感器相比，使得激勵和測量電極的位置和角度更加自由，從而能獲得更多獨立測量數(shù)據(jù)，有利于提高圖像重建質(zhì)量；同時，減小了電容動態(tài)測量范圍，增大了最小測量電容值，在增加電極數(shù)的同時不需要顯著提高硬件測量系統(tǒng)的測量分辨率，易于實際電路的實現(xiàn)。文檔編號G01R29/24GK101344547SQ20081011991公開日2009年1月14日申請日期2008年9月9日優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日發(fā)明者彭黎輝,鵬江,耿陸申請人:清華大學