CN101344547B

CN101344547B - 非对称组合电极结构的电容成像传感器

Info

Publication number: CN101344547B
Application number: CN2008101199159A
Authority: CN
Inventors: 彭黎辉; 陆耿; 江鹏
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2028-09-09
Also published as: CN101344547A

Abstract

本发明公开了属于电容成像领域的一种非对称组合电极结构的电容成像传感器。将多个连续的传感器电极dj分别按照不同个数电极dj组成11组组合电极；该11组组合电极连接为一个整体进行激励和测量，在进行测量时，利用现场可编程门阵列FPGA进行通道切换，在第一组合电极上施加激励电压，分别测量这些测量组合电极与激励组合电极间的电容值，对构成测量电极的组合电极上的电荷值进行测量。与传统相比，使得激励和测量电极的位置和角度更加自由，从而能获得更多独立测量数据，有利于提高图像重建质量；同时，减小了电容动态测量范围，增大了最小测量电容值，在增加电极数的同时不需要显著提高硬件测量系统的测量分辨率，易于实际电路的实现。

Description

非对称组合电极结构的电容成像传感器

技术领域

本发明属于电容成像领域，特别涉及一种非对称组合电极结构的电容成像传感器。

背景技术

两相流是指由两种组分构成的混合流动状态，其广泛存在于自然界和工业领域。两相流参数的准确测量对提高生产效率和安全性具有重要意义。由于两相流流动特性极为复杂，其参数测量一直是急需解决而迄今又未能很好予以解决的重要研究课题。电容成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)由于其简单、廉价及非侵入等特点，是近年来发展起来的一种新型两相流检测方法，也是目前最具工业前景的两相流可视化检测技术之一。

电容成像中所使用的传感器由均匀围绕在管道周围的一圈电极构成，电极数通常取8个、12个，有时也可用16个，要根据需要和条件确定。根据管道形状，电极一般分为圆形和方形两种。为防止外界静电对电极内部的干扰，一般还需要在电极两端以及电极外侧包裹上保护电极和屏蔽壳，二者都接地。电容成像的基本原理是在流体流动管道的某一截面上，任意两个电极均可组成一个两端子电容。管道内两相流动介质的不同相分布会引起电容电极间综合介电常数变化，从而会改变电容值的大小。依次在每个电极上施加激励，测量它和其余电极所构成的两端子电容的电容值，这样对于N个电极构成的成像系统，独立测量的电容值数目为N(N-1)/2。

电容成像通过测量不同极板组合间的电容值来重构传感器内部介电常数分布并以图像的方式显示，这一过程被称为图像重建。电容成像的图像重建是一个典型的病态反应问题，独立测量数的增加有助于提高图像重建质量。目前已见报道的电容成像系统通常使用的电极数为8、12和16，与之对应的独立测量电容数分别是28、66和120，而成像区域的剖分数则为上千，使得电容成像问题是个不适定问题。通过简单地增加电容成像传感器电极数目N可以大大增加独立测量数，这有助于提高图像重建质量，但电极数的增加会减小每个电极的等效宽度，从而使得任意两个电极组合间的电容值也随之减小，这给获取不同电极间的电容带来了新的困难，本发明旨在增加电容成像传感器电极数目的同时，通过特殊的激励及测量方法能在不要求提高测量系统分辨率的情况下显著提高独立测量数目，从而改善图像重建质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种非对称组合电极结构的电容成像传感器，其特征在于，将多个连续的传感器电极dj分别按照不同个数电极dj组成11组组合电极；该11组组合电极连接为一个整体进行激励和测量，在进行测量时，由构成激励组合电极的组合电极施加激励电压，利用现场可编程门阵列FPGA进行通道切换，即每次的第一组合电极均为激励组合电极，其余10个组合电极均为测量组合电极；只是在第一组合电极上施加激励电压，分别测量这些测量组合电极与激励组合电极间的电容值，对构成测量组合电极的组合电极上的电荷值进行测量。

所述构成测量组合电极与激励组合电极相邻的测量组合电极的电极数少，等效的测量电极宽度小；所述构成测量组合电极与激励组合电极相对的测量组合电极的电极数多，等效的测量电极宽度大。

所述电极转过一个电极后，构成与之前相同数目和宽度的新的组合电极进行激励和测量，以此类推，直到所有的由连续电极构成的激励组合电极均被激励过；利用现场可编程门阵列FPGA实现上述激励信号的控制，电极状态的调整，进行通道切换，以完成非对称组合电极一个周期的测量。

本发明的有益效果是，将多个连续的传感器电极组合为一个整体进行激励和测量，能有效的提高电容成像独立测量数目，使得激励和测量电极的位置和角度更加自由，从而能获得更多被测截面的投影信息，提高图像重建的质量；同时，通过增大相对等效电极的宽度，减小相邻等效电极的宽度，在一定程度上补偿了由于中心区域敏感度低而给图像重建带来的困难，也减小了电容动态测量范围，增大了最小测量电容值，从而易于实际电路的实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是由72个电极dj构成的一种非对称组合电极结构的电容成像传感器，图1(a)为激励组合电极由电极1-6构成时的结构，图1(b)为各电极组合均转过一个电极宽度后，即激励组合电极由电极2-7构成时的结构。

图2是由FPGA控制模拟开关阵列将不同电极相连构成非对称组合电极的实现方式。

图3是图1所示的不对称组合电极结构传感器典型的敏感场分布。

(a)测量极板组合为极板7-9；(b)测量极板组合为极板10-15；

(c)测量极板组合为极板16-21；(d)测量极板组合为极板22-30；

(e)测量极板组合为极板31-39。

图4是基于图1所示的不对称组合电极结构传感器测量数据的图像重建结果。

具体实施方式

图1给出的非对称组合电极结构的传感器，图1(a)为激励组合电极由电极1-6构成时的结构，图1(b)为各电极组合均转过一个电极宽度后，即激励组合电极由电极2-7构成时的结构。以72电极构成的一种非对称组合电极结构的电容成像传感器为例，在图1(a)中，在成像截面上设置72个电极dj，为便于描述按逆时针方向将电极依次按1～72编号，将72个电极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}的顺序分别组合为第一组合电极A、第二组合电极B，第三组合电极C、直到第十一组合电极K；在系统工作过程中，利用现场可编程门阵列(FPGA}实现电极的组合控制以及电极状态的调整，首先利用FPGA控制电极{1-6}个电极dj组合的第一组合电极A，并在其上施加激励电压，由接下来的连续的3个电极{7-9}组合的第二组合电极B、同理接下来的连续的6个、6个、9个、9个、9个、9个、6个、6个、3个电极dj组合的第三组合电极C、第四组合电极D、第五组合电极E、第六组合电极F、第七组合电极G、第八组合电极H、第九组合电极I、第十组合电极J、第十一组合电极K；然后利用FPGA改变电极组合和调整各电极状态，达到将各电极组合均转过一个电极宽度的效果，即在图1(b)中，从电极2开始按图1(a)组合规律，{2-7}6个电极组合成第一组合电极A，由接下来的连续的3个、6个、6个、9个、9个、9个、9个、6个、6个、3个电极分别组成测量电极，并测量电容值，即每次的第一组合电极A均为激励组合电极，其余10个均为测量组合电极；只是在第一组合电极A上施加激励电压，分别测量这些测量组合电极与激励组合电极间的电容值；以此类推，直到所有的由6个连续电极构成的组合电极均被激励过，由于每次激励均有10个测量数据，因此，采用这种测量模式共可获得720个独立测量数据，从而大大增加了独立测量电容数。同样的，还可以利用72电极构成其他非对称组合电极结构的传感器，也可以利用其他电极数目的电容成像系统来构成非对称组合电极结构的传感器，因此，符合本发明所提出的非对称组合电极结构的传感器包括但不限于图1所示的例子。

图2给出了与此对应的通过FPGA控制模拟开关阵列将不同电极相连作为激励电极和测量电极从而构成非对称组合电极的方式，其中图2(b)给出了以电极1-6构成组合电极施加激励信号，电极7-9构成组合电极进行检测时为例的开关阵列开闭情况。图3为与其部分敏感场分布。

表1是不同测量传感器下电容动态测量范围和最小测量电容值的对比，其中，电容动态测量范围K_c定义为空管测量中最大与最小电容值的比值，C_min表示空管测量中的最小电容值。由于组合电极中存在间隙，使得等效电极宽度变小，导致电容动态测量范围增大，从表中的结果可以看出，与传统的12电极传感器相比，不对称组合电极结构的传感器通过增大相对测量电极等效宽度，减小相邻电极等效宽度，可以使得电容动态测量范围在变化不大的同时，能有效的提高最小测量电容值，并获得更多的独立测量电容值。

图4为基于图1所示的不对称组合电极结构传感器数据的图像重建结果，分别采用三种流型分布作为仿真对象，采用线性反投影(Linear back-projection，LBP)算法进行了图像重建，按照a原始流型；b传统的12电极传感器；c.非对称组合电极结构的传感器对三类传感器测量数据的成像图像结果进行了重建，从重建图像可以看出，基于不对称组合电极结构的传感器测量数据的成像结果要优于基于传统12电极传感器测量数据的成像结果。

表1 不同测量传感器对电容测量范围的影响

Claims

1.一种非对称组合电极结构的电容成像传感器，其特征在于，将多个连续的传感器电极dj分别按照不同个数电极dj组成11组组合电极；该11组组合电极连接为一个整体进行激励和测量，在进行测量时，由构成激励组合电极的组合电极施加激励电压，利用现场可编程门阵列FPGA进行通道切换，即每次的第一组合电极均为激励组合电极，其余10个组合电极均为测量组合电极；只是在第一组合电极上施加激励电压，分别测量这些测量组合电极与激励组合电极间的电容值，对构成测量组合电极的组合电极上的电荷值进行测量。

2.根据权利要求1所述非对称组合电极结构的电容成像传感器，其特征在于，所述构成测量组合电极与激励组合电极相邻的测量组合电极的电极数少，等效的测量电极宽度小；所述构成测量组合电极与激励组合电极相对的测量组合电极的电极数多，等效的测量电极宽度大。

3.根据权利要求1所述非对称组合电极结构的电容成像传感器，其特征在于，所述电极转过一个电极后，构成与之前相同数目和宽度的新的组合电极进行激励和测量，以此类推，直到所有的由连续电极构成的激励组合电极均被激励过；利用现场可编程门阵列FPGA实现上述激励信号的控制，电极状态的调整，进行通道切换，以完成非对称组合电极一个周期的测量。