專利名稱：一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，用于斷層層析成像測量，特別是管道內(nèi)流體、氣體的分布、流型等的檢測成像，屬于檢測領域。
背景技術：
電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)技術是一種工業(yè)層析成像(Process Tomography, PT)技術。傳統(tǒng)ECT傳感器利用單圈多金屬導電極板均勻分布圍繞于測量管道外壁，并對每一對獨立電極對進行測量，根據(jù)測量得到的M組獨立電容值， 推導計算管內(nèi)混合物質(zhì)的電容率分布，通常ECT傳感器極板數(shù)量取8、12、16從而滿足不同需要的測量。傳統(tǒng)ECT傳感器通常為環(huán)形單層、由8到16塊極板構成。其局限性在于(1)不同的傳感器極板數(shù)目，能夠明顯影響傳感器的測量數(shù)據(jù)量。極板數(shù)量越多， 測量數(shù)據(jù)量越大。如果傳感器尺寸固定，增加ECT傳感器極板數(shù)量則會降低測量信號強度， 因此傳統(tǒng)ECT傳感器無法根據(jù)實際測量需要，任意的改變傳感器數(shù)量以實現(xiàn)不同測量傾向。(2)不同的傳感器極板面積，能夠?qū)鞲衅鳒y量信號強度產(chǎn)生明顯影響。傳統(tǒng)ECT 傳感器的極板面積在傳感器設計完成之后是固定值，沒有辦法調(diào)整，因此只能滿足固定的測量信號強度要求。(3)不同的保護極板的模式選擇，能夠?qū)CT傳感器測量的空間分辨率產(chǎn)生影響。 軸向保護極板通常分為驅(qū)動保護(Drive Guard)與端接地保護(End Guard)兩種。驅(qū)動保護結構能夠使ECT傳感器在進行橫截面成像時更為精確，而端接地保護結構能夠使ECT傳感器在軸向測量時保持高靈敏度，傳統(tǒng)ECT傳感器在設計完成之后無法需要根據(jù)不同的測量需要調(diào)整不同的傳感器保護極板結構。為了改善以上ECT傳感器測量中的局限性，以實現(xiàn)在不同測量條件和目的下，對傳感器成像分辨率，測量精度以及成像速度的不同要求，需要提出一種新型的ECT傳感器結構，能夠靈活機動的變換結構特性。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有傳統(tǒng)ECT傳感器結構中存在的局限性，提出一種多陣列自適應的ECT 傳感器結構，滿足多種模式測量需求。為了實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，所述的多陣列自適應的 ECT傳感器技術方案以如下方式實現(xiàn)一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，包括空絕緣容器，多陣列電極極板， 絕緣層和屏蔽層；空絕緣容器外表面固定連接多陣列電極極板，多陣列電極極板外層依次為絕緣層和屏蔽層；固定傳感器的空絕緣容器用于待測液體、顆粒、粉末狀物質(zhì)的盛裝，也可以盛裝小于容器直徑的整瓶物質(zhì)；
多陣列電極極板由自上而下沿軸向等間距排列的η個環(huán)狀極板組組成，每個環(huán)狀極板組由m個均勻分布的單元極板組成；其中η為大于等于3的正整數(shù)，m為8、12、16的公倍數(shù)。相鄰單元極板軸向間距相同，徑向間距相同；因此空絕緣容器的外壁自上而下沿軸向按照相同中心角度緊貼至少三個環(huán)狀極板組，每個環(huán)狀極板組內(nèi)最少設計48個單元極板。環(huán)狀極板組之間的間距相同，每個環(huán)狀極板組內(nèi)的單元極板等間距排列，并且每個環(huán)狀極板組內(nèi)的單元極板軸向分布對應一致。沿軸向自上而下，依次選擇至少一個環(huán)狀極板組全部連通并且接地，構成傳感器接地層；至少一個環(huán)狀極板組用于測量，構成傳感器測量層；至少一個環(huán)狀極板組全部連通并且接地，構成傳感器接地層；測量層和接地層之間至少間隔一個不導通的環(huán)狀極板組， 通過以上設置實現(xiàn)傳感器的端接地保護模式。其中測量層由沿空絕緣容器外壁周向均勻分布的組合極板構成。組合極板是由i行，j列個相鄰的單元極板組成的矩形極板，其中i、j 為正整數(shù)，且1 < i < n-2，1 < j < m-1 ；組合極板沿空絕緣容器外壁周向均勻分布，相鄰組合極板由不導通的單元極板隔開，相鄰組合極板間距相等。沿軸向自上而下，依次選擇至少一個環(huán)狀極板組構成驅(qū)動保護層，至少一個環(huán)狀極板組用于測量，構成傳感器測量層，至少一個環(huán)狀極板組構成驅(qū)動保護層，測量層和驅(qū)動保護層之間至少間隔一個不導通的環(huán)狀極板組，通過以上設置實現(xiàn)傳感器的驅(qū)動保護模式。其中驅(qū)動保護層和測量層由沿空絕緣容器外壁周向均勻分布，且分布相同的組合極板構成；驅(qū)動保護層組合極板所含的單元極板的列數(shù)與測量層組合極板列數(shù)相同；驅(qū)動保護層的組合極板提供與之軸向?qū)獪y量層組合極板相同的電勢。所述的組合極板是由i行， j列個相鄰的單元極板組成的矩形極板，其中i、j為正整數(shù)，且1 < i < n-2，1 < j < m-1 ； 組合極板沿空絕緣容器外壁周向均勻分布，相鄰組合極板由不導通的單元極板隔開，相鄰組合極板間距相等。本發(fā)明通過對單元極板的物理通斷選擇與控制，可以實現(xiàn)組合極板(5)的選擇與控制，其中組合極板是利用物理通斷實現(xiàn)的，由軸向或徑向相鄰單元極板組成的矩形極板。測量層組合極板(5)的單元極板數(shù)量相同，相鄰的組合極板(5)間隔相同。同樣驅(qū)動保護層組合極板(5)的單元極板(6)數(shù)量相同，相鄰的組合極板(3)間隔相同。而測量層組合極板(3)的單元極板(6)數(shù)量與驅(qū)動保護層組合極板(5)的單元極板(6)數(shù)量可以不同。通過組合極板(5)的選擇與控制能夠改變其面積大小與極板數(shù)量，從而控制傳感器測量信號強度與測量數(shù)據(jù)量。本發(fā)明通過對單元極板(6)的物理通斷選擇與控制，可以實現(xiàn)軸向、徑向單元極板間距的選擇與控制，以及組合極板(5)間距的選擇與控制。單元極板(6)間距大小以及組合極板(5)間距大小為單元極板的整數(shù)倍。通過對間距參數(shù)的調(diào)整能夠改變傳感器電場線的穿透深度性能。本發(fā)明通過對單元極板(6)的物理通斷選擇與控制，可以實現(xiàn)軸向保護模式的選擇與控制，可以構成驅(qū)動保護模式也可以構成端接地保護模式，從而改變或調(diào)整傳感器極板的軸向空間分辨率。本發(fā)明由于采用了上述的結構，多陣列的單元極板(6)等間隔環(huán)繞緊貼在絕緣容器外壁，待測量混合物質(zhì)裝入空絕緣容器(1)中。該裝置可以通過選擇ECT傳感器的軸向不同層作為測量層，通過測量數(shù)據(jù)判斷待測量混合物在容器內(nèi)的位置。該裝置可以通過調(diào)整組合極板(5)選擇不同的傳感器軸向保護模式或調(diào)整相鄰組合極板(5)的間距以實現(xiàn)傳感器軸向空間分辨率的調(diào)整。該裝置可以通過調(diào)整組合極板(5)，調(diào)整測量極板層的測量極板數(shù)目，以實現(xiàn)ECT傳感器徑向分辨率的調(diào)整。該裝置可以通過調(diào)整組合極板(5)調(diào)整 ECT傳感器測量層的組合極板(5)面積以增加測量信號強度，實現(xiàn)對電容率低的混合物的測量。這樣，無論混合物的介電常數(shù)、位置或測量的目的與要求如何變化，通過本發(fā)明都能達到良好的測量成像效果。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)本裝置能夠控制ECT傳感器軸向保護模式從而提高傳感器軸向空間測量分辨率，實現(xiàn)對軸向各高度的測量，具有靈活性高，測量分辨率，測量精度可調(diào)的優(yōu)點。(2)本裝置通過組合極板(5)的形式控制測量層中測量極板的數(shù)量，當單圈單元極板數(shù)量為48時，ECT傳感器可分別工作于8、12與16測量極板模式，以滿足對測量數(shù)據(jù)量與測量區(qū)域的成像分辨率的不同要求。下面結合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明作進一步的說明。


圖1為自適應電容層析成像傳感器的結構示意圖；圖2為陣列單元極板的局部放大示意圖(簡化屏蔽層)；圖3為自適應電容層析成像傳感器分別實現(xiàn)8、12和16極板傳統(tǒng)ECT傳感器結構的示意圖(簡化屏蔽層)。圖4為自適應電容層析成像傳感器進行組合極板(5)面積的選擇與控制的結構示意圖(簡化屏蔽層)。圖4a為自適應電容層析成像傳感器驅(qū)動保護模式結構示意圖(簡化屏蔽層)。圖4b為自適應電容層析成像傳感器端接地保護模式結構示意圖(簡化屏蔽層)。圖5為自適應電容層析成像傳感器8極板、驅(qū)動保護模式時的結構示意圖。圖6為驅(qū)動保護模式下，沿Z軸方向的電場變化趨勢，其中d表示驅(qū)動保護極板與測量極板的軸向間距，圖中E表示有激勵保護層時的電場強度，Etl表示沒有激勵保護層時的電場強度。圖7為自適應電容層析成像傳感器12極板、端接地保護模式時的結構示意圖。圖8為端接地保護模式下，沿Z軸方向的電場變化趨勢，其中d表示端接地保護極板與測量極板的軸向間距，圖中E表示有接地層時的電場強度，Etl表示沒有接地層時的電場強度。圖1-8中，每個環(huán)狀極板組由48個單元極板組成。以上所有圖中標號說明1 容器，2 單元極板，3 絕緣層組合極板，4 外部屏蔽層，5 組合極板，(I1 單元極板軸向間距，d2 單元極板徑向間距，DG 驅(qū)動保護層，EG 接地層，圖中深色部分表示物理連通，白色部分表示未連通。具體實施方案分述如下實施例1參見圖5，圖5為自適應電容層析成像傳感器8極板、驅(qū)動保護模式時的結構示意圖。設定傳感器由11個環(huán)形極板組組成，每個環(huán)形極板組由48塊單元極板組成。驅(qū)動保護層和測量層分別由8個組合極板構成，驅(qū)動保護層組合極板由4行、5列單元極板組成，每個組合極板共有20個單元極板。測量層組合極板由1行、5列單元極板組成，每個組合極板共有5個單元極板。驅(qū)動保護層與測量層之間間隔一個不導通的環(huán)形極板組，每個相鄰的組合極板間間隔一列不導通的單元極板?？战^緣容器(1)內(nèi)壁半徑50mm，空絕緣容器⑴壁厚2. 5mm，多陣列電極極板覆蓋外容器壁達70%，單元極板(6)高為32mm，外部屏蔽層(4)橫截面半徑為57. 5mm，激勵電壓為15V，空絕緣容器(1)內(nèi)測量介質(zhì)為水，多陣列電極極板與屏蔽層間的絕緣層使用空氣絕緣，測量環(huán)境為干燥室溫。傳感器測量極板層選擇位于容器軸向高度的中心位置的平面上，據(jù)底部60mm處。傳感器使用組合極板(5)構成驅(qū)動保護結構。組合極板的大小可以根據(jù)實際情況進行選擇。這種組合的優(yōu)勢在于傳感器沿ζ軸方向測量靈敏度衰減速度最慢， 即軸向電場變化比較平緩，這意味著傳感器感應區(qū)域大于傳感器測量極板長度所覆蓋的測量區(qū)域。通過實驗結果分析發(fā)現(xiàn)，當ECT傳感器使用軸向驅(qū)動保護極板結構時，能夠明顯的降低3D效應對傳感器測量區(qū)域的影響，保證軸向不同高度的橫截面區(qū)域內(nèi)的靈敏度分布不受到干擾，即增加軸向驅(qū)動保護，能夠盡可能的減小傳感器測量極板的軸向尺寸，而不產(chǎn)生明顯的3D效應，對測量結果不造成干擾，從而盡可能逼近2D的橫截面測量結果；但需要注意的是，此時的測量電容值并不是真實的激勵極板與接收極板間的電容值，它還受到驅(qū)動保護層的組合極板與接收極板間的電容效應的影響，因此，如果感應區(qū)域內(nèi)的材料介質(zhì)分布不是軸向均勻，電容率是不均勻分布的時候，驅(qū)動保護結構對3D效應是沒有抑制作用的，如圖6所示，在軸向60mm處出現(xiàn)了電場變化緩慢的區(qū)域，即降低了 3D效應對傳感器測量區(qū)域的影響。實施例2參見圖7，圖7為自適應電容層析成像傳感器12極板、端接地保護模式時的結構示意圖。設定傳感器由11個環(huán)形極板組組成，每個環(huán)形極板組由48塊單元極板組成。沿軸向自上而下，依次選擇三個環(huán)狀極板組全部連通并且接地，構成接地層；選擇三個環(huán)狀極板組構成測量層，測量層由12個組合極板構成，每個組合極板由3行、3列單元極板組成，每個組合極板作為一個測量極板，相鄰組合極板間間隔3行、1列的未導通單元極板； 依次選擇三個環(huán)狀極板組全部連通并且接地，構成接地層；接地層和測量層之間由一個未導通的環(huán)形極板組隔開?？战^緣容器(1)內(nèi)壁半徑50mm，空絕緣容器⑴壁厚2. 5mm，多陣列電極極板覆蓋外容器壁達70%，單元極板(6)高為32mm，外部屏蔽層(4)橫截面半徑為57. 5mm，激勵電壓為15V，空絕緣容器(1)內(nèi)測量介質(zhì)為水，極板與屏蔽層間的絕緣層(3)使用空氣絕緣，測量環(huán)境為干燥室溫，。傳感器測量層選擇位于容器軸向高度中心位置的平面上，據(jù)底部60mm 處。端接地保護模式的ECT傳感器與驅(qū)動保護模式的ECT傳感器正好相反，沿ζ軸方向的測量電場變化明顯，測量靈敏度有明顯的沿軸向衰減的現(xiàn)象。傳感器測量極板長度范圍內(nèi)的電場變化較平緩，本實例中測量極板為3X3陣列的組合極板，當ζ軸方向超過測量極板高度時，傳感器靈敏度衰減迅速降低。需要注意的是，盡管使用端接地結構對感應區(qū)域電場產(chǎn)生強約束，形成非常窄的截面感應區(qū)域，但是會因為端接地極板對激勵極板的電場線的拉拽現(xiàn)象，增加傳感器測量區(qū)域的3D效應。通過增加傳感器測量極板的軸向長度能夠降低 3D效應對測量結果的影響。因此可以根據(jù)實際情況選擇構成接地層的環(huán)狀極板組的個數(shù)和組合極板的大小，如圖8所示，軸向60mm處，出現(xiàn)了較為劇烈的電場變化，即增加了傳感器測量區(qū)域的3D效應。
權利要求
1.一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，其特征在于包括空絕緣容器(1)，多陣列電極極板(2)，絕緣層(3)和屏蔽層(4)；空絕緣容器(1)外表面固定連接多陣列電極極板(2)，多陣列電極極板(2)外層依次為絕緣層(3)和屏蔽層(4)；多陣列電極極板由自上而下沿軸向等間距排列的η個環(huán)狀極板組組成，每個環(huán)狀極板組由m個均勻分布的單元極板(6)組成；
2.根據(jù)權利要求1所述的一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，其特征在于 所述的環(huán)狀極板組個數(shù)η為大于等于3的正整數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，其特征在于 所述的單元極板(6)個數(shù)m為8、12、16的公倍數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，其特征在于 所述的絕緣層(3)是空氣。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，其特征在于 沿軸向自上而下，依次選擇至少一個環(huán)狀極板組全部連通并且接地，構成傳感器接地層；至少一個環(huán)狀極板組用于測量，構成傳感器測量層；至少一個環(huán)狀極板組全部連通并且接地， 構成傳感器接地層；測量層和接地層之間至少間隔一個不導通的環(huán)狀極板組，通過以上設置實現(xiàn)傳感器的端接地保護模式。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，其特征在于 所述的測量層由沿空絕緣容器外壁周向均勻分布的組合極板構成。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，其特征在于 組合極板是由i行，j列個相鄰的單元極板組成的矩形極板，其中i、j為正整數(shù)，且1 < i < n-2,1 < j < m-1 ；組合極板沿空絕緣容器外壁周向均勻分布，相鄰組合極板由不導通的單元極板隔開，且間距相等。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，其特征在于 沿軸向自上而下，依次選擇至少一個環(huán)狀極板組構成驅(qū)動保護層；至少一個環(huán)狀極板組用于測量，構成傳感器測量層；至少一個環(huán)狀極板組構成驅(qū)動保護層；測量層和驅(qū)動保護層之間至少間隔一個不導通的環(huán)狀極板組，通過以上設置實現(xiàn)傳感器的驅(qū)動保護模式。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，其特征在于 所述的驅(qū)動保護層和測量層由沿空絕緣容器外壁周向均勻分布，且分布相同的組合極板構成；驅(qū)動保護層組合極板所含的單元極板的列數(shù)與測量層組合極板列數(shù)相同；驅(qū)動保護層的組合極板提供與之軸向?qū)獪y量層組合極板相同的電勢。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，其特征在于 所述的組合極板(5)是由i行，j列個相鄰的單元極板組成的矩形極板，其中i、j為正整數(shù)， 且1 < i < n-2，1 < j < m-1 ；組合極板沿空絕緣容器外壁周向均勻分布，相鄰組合極板由不導通的單元極板隔開，相鄰組合極板間距相等。
全文摘要
一種多陣列自適應電容層析成像傳感器裝置，屬于檢測領域。包括空絕緣容器，多陣列電極極板，絕緣層和屏蔽層；空絕緣容器外表面固定連接多陣列電極極板，多陣列電極極板外層依次為絕緣層和屏蔽層；多陣列電極極板由自上而下沿軸向等間距排列的多個環(huán)狀極板組組成，每個環(huán)狀極板組由多個均勻分布的單元極板組成；通過對單元極板的物理通斷控制，可以組成大小不同的組合極板。當待測非金屬混合物置于容器任意位置時，通過多陣列自適應ECT傳感器的逐層檢測來判斷待測物的位置，并按照實際測量要求，選擇測量極板數(shù)量、幾何尺寸、軸向屏蔽等參數(shù)，使該傳感器始終保持良好的測量效果。
文檔編號G01N27/22GK102297884SQ201110189099
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權日2011年7月6日
發(fā)明者何存富, 劉增華, 吳斌, 宋國榮, 李楠, 焦敬品 申請人:北京工業(yè)大學