CN102445469A

CN102445469A - 一种三维ect数据采集系统

Info

Publication number: CN102445469A
Application number: CN2011102891331A
Authority: CN
Inventors: 周英钢; 颜华; 王雪; 王伊凡; 田大壮
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: CN102445469B

Abstract

本发明涉及一种三维ECT数据采集系统，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，电容传感器为采用三维分布的极板，极板为矩形并设置在圆形管道的外部，管道外部设有屏蔽罩，极板分三层设置，每层设置四个，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈0～90°角旋转式分布，极板两侧还设置有接地的屏蔽环；数据采集装置由主电路板和外围设备构成。本发明提高了数据采集的速度，具有结构简单、抗干扰能力强、测量精度易于控制等优点，适于推广应用。

Description

一种三维ECT数据采集系统

技术领域

本发明主要涉及一种电容层析成像数据采集系统，特别涉及一种基于C8051F700的三维ECT数据采集系统，属于电容层析成像技术领域。

背景技术

电容层析成像系统，需要测量均匀分布在工业管道外壁的极板间电容，通过介质引起的电容变化获得管道内部物料或流体的可视化信息。而极板间电容值通常很小，本体电容大约在0.01pF到0.5pF左右，电容变化量更小，而杂散电容和耦合电容等测量干扰因素却很大，可以达到几十到上百皮法，这就对微小电容检测电路提出了很高的要求。

传统的电容检测方法有直流充放电和交流C/V转换等分立元件检测电路，转换速率低，难以满足系统实时性要求。分立元件结构复杂，易受外界环境干扰，抗干扰能力差，采用并行检测时电路多路切换开关难于控制并给电路带来更多的耦合电容，多路一致性也不好，抑制测量精度，严重影响成像质量。而三维传感器分布，极板间电容值更小，所需的测量范围更大，测量能力更强，这就为ECT系统电容测量提出了更大的挑战。

传统的电容数据采集系统普遍存在运行速度慢、结构复杂、抗干扰能力差、测量精度难于控制、不适合工业环境应用等一系列问题，亟待解决。

发明内容

发明目的：

本发明提出了一种三维ECT数据采集系统，克服了上述现有技术存在的缺陷，结构简单，抗干扰能力强，并且提高了测量精度。

技术方案：

一种三维ECT数据采集系统，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，其特征在于：所述电容传感器为采用三维分布的极板，极板为矩形并设置在圆形管道的外部，管道外部设有屏蔽罩，极板分三层设置，每层设置四个，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈0～90°角旋转式分布，极板两侧还设置有接地的屏蔽环；所述数据采集装置由主电路板和外围设备构成。

所述管道的直径为L，以L/7.7为系数，极板的参数为：极板高度为：2.5L/7.7，极板宽度为：4 L/7.7，极板间径向距离为：2 L/7.7，极板间轴向距离为：2 L/7.7。

所述主电路板由单片机及其外围电路构成，单片机以C8051F700为核心，外围电路包括极板电容输入电路、供电电路、LED显示电路以及串口输出电路。

所述外围设备为供电电源和串口USB转换器。

所述数据采集装置的主电路板紧贴管道外壁设置，并靠近极板。

所述数据采集装置的主电路板与管道一并置于屏蔽罩内部。

所述的相邻两层极板之间呈45°角旋转式分布。

优点及效果：

本发明提出了一种三维ECT数据采集系统，是对传统的二维电容层析成像数据采集方案的突破和改进，具有如下优点：

（1）、利用传感器的极板三维分布，合理的空间结构和分层旋转式的方法，为图像重建提供更加充分和准确的管道内部信息，提高了图像重建的真实性。

（2）、利用C8051F700芯片的自身优势，大大提高了数据采集的速度，对于每个输入电容值，电路最高转换速率可达40μs per input。实验表明，在理想情况下，对于12极板的电容层析成像，系统重建速度可达到140帧每秒以上，满足了在线管道内检测的实时性要求。由于芯片的多功能集成，用极少资源解决电容检测系统的各项问题，使整个硬件系统结构简单、轻便，易于靠近测试主体，规避外界环境，抗干扰能力强，对工业应用有更好的适应性。

（3）、系统本身有具有一定的杂散电容抑制能力和较高的精度，在尽量去除外界环境干扰的情况下，测量大约可精确到0.01pf，为图像重建质量提供了保证。

附图说明：

图1为本发明的电容传感器结构示意图；

图2为本发明主电路板的电路原理图；

图3为本发明整体结构示意图。

附图标记说明：

1、极板； 11、屏蔽罩； 12、管道； 13、屏蔽环；2、主电路板；21、供电电源；22、串口USB转换器；23、电容输入端口；L、管道直径。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不受实施例的限制：

为本发明采用单片机C8051F700，利用该芯片电容测量模块，高速以及高度集成的优势，解决上述问题。

一种三维ECT数据采集系统，如图1中所示，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，其特征在于：电容传感器通过数据采集装置与上位机连接，所述电容传感器为采用三维分布的极板1，极板1为矩形并设置在圆形管道12的外部，管道12外部设有屏蔽罩11，极板1分三层设置，每层设置四个，共12个极板，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈0～90°角旋转式分布，该旋转角度可以根据实际需要在0～90°角度之间进行选择，例如可以选择30°角，60°角等等，当相邻两层极板之间呈45°角旋转式分布时效果最佳。

极板1两侧（最上层极板的上侧和最下层极板的下侧）还设置有接地的屏蔽环13，屏蔽环接地的目的是为了减少干扰；这种三维结构对管道12一定区域（极板覆盖的区域）内介质有较好的辨识度。所述数据采集装置由主电路板2和外围设备构成。

为了获得较为准确的管道内部信息，经过反复的图像重建算法分析和实验验证。

经过仿真分析，得出管道直径为7.7cm时，极板高度，宽度，径向、轴向距离的理想值。以该组参数值为标准，按照管道直径与标准直径的相应比例，同等比例地缩放高度，宽度，径向、轴向距离，从而获得对于不同管道直径的极板大小和分布参数。

对于采用12个极板的三维结构分布采用以下参数：

管道12的直径为L，以L/7.7作为系数，对于不同的管道直径，以该系数为标准，即可得到对应的极板1的参数：极板高度为：2.5L/7.7，极板宽度为：4 L/7.7，极板间径向距离为：2 L/7.7，极板间轴向距离为：2 L/7.7。这样设置极板的参数，可以更为准确地获得管道12内部的信息。

例如：管道直径为7.7cm时，极板的理想参数为：极板高度2.5cm，极板宽度4cm，极板间径向距离2cm，轴向距离2cm。

如图2中所示是数据采集装置主电路板的电路原理图（图中为12个极板输入），主电路板2由单片机及其外围电路构成；单片机以C8051F700为核心；外围电路包括极板电容输入电路、供电电路、LED显示电路以及串口输出电路。

所述外围设备为供电电源21和串口USB转换器22。

所述数据采集装置的主电路板2紧贴管道12外壁设置，并尽可能地靠近极板1。

所述数据采集装置的主电路板2也可以与管道12一并置于屏蔽罩11内部，这样设置可以减少屏蔽线带来的杂散电容。

图3中所示为本发明的整体结构示意图，如图中所示，本发明在使用时，电容传感器即为管道12外壁设置的极板1，通过屏蔽线与电容输入端口23连接，每个极板一次对应一个电容输入端口。供电电源21为5v左右直流供电电源，通过AMS1117稳压器为单片机供电。C8051F700含有32个电容输入端口，可以选择与极板数目相同的端口，每个极板通过屏蔽线与端口对应连接，作为单片机的输入。C8051F700内置有电容传感器模块，在工作状态下，可通过编写程序选择接地极板，单片机会一次获取该极板与其他极板的电容值，并在电容传感器CDC（电容数字量转换）模块的作用下，将电容值转换成具有16位精度的数字量。对于每个输入电容值，电路最高转换速率可达40μs per input。实验表明，在理想情况下，对于12极板的电容层析成像，系统重建速度可达到140帧每秒以上，满足了在线管道内检测的实时性要求。由单片机对这些数字量进行滤波、比较等必要的处理后，再将数据通过串行输入输出引脚和串口USB转换器22直接传递给上位机，与上位机之间进行数据通讯。数据采集装置将采样数据传递给上位机，并接受上位机的控制。其中数据采集装置的主电路板2紧贴管道12外壁设置，距极板1阵列不远，并尽可能地靠近极板1，以减少屏蔽线距离。也可以将管道12连同主电路板2一并置于屏蔽罩11的内部，这样设置的好处是可以减少屏蔽线带来的杂散电容和外界环境对电路的干扰。在尽量去除外界环境干扰的情况下，测量大约可精确到0.01pf，为图像重建质量提供了可靠的保证。

本发明还可以通过上位机的测试软件来进行编程，用来读取和存储测试结果，操作界面的上端提供了一系列选择项，可以对端口，软硬件滤波次数，接地极板，单通道及扫描采样测量模式进行选择，实现较好的人机交互。还可以通过滤波次数的选择调整测量精度，滤波次数包括硬件滤波和软件滤波。硬件滤波功能在C8051F700内部，有1、4、8、16次，可通过寄存器设置实现。软件滤波是通过测量结果多次平均实现的，多次平均可大大提高结果的精度和稳定性。

测试软件也可以选择单通道操作或者整体扫描模式。单通道操作，可以获得某通道极板与其他各极板间电容值。测量过程中，多采取扫描模式，可以一次性读取每个极板与其他所有极板间的电容值，短时间内为一帧图像重建提供完整的电容值。该芯片电容采集速度快，很大程度上满足了系统实时性要求。上位机所获取的电容值不是实际电容值，而是极板间电容值与杂散电容之和，所以要去零点。本发明采用标准电容仪进行标定，测得空管状态下各极板对之间的标准电容值。再用试验状态下各极板对间空管电容值减去标准值，得出每对极板间的固定杂散电容。各次测量结果都减去该固定值，得到真实的提供给重建算法的极板电容值。

实时采样结果即接地极板与其他极板间电容值会以方块图的形式显示在中间界面，以数据形式显示在中间界面的右侧。历次采样结果记录在界面的左下角。每次采样结束后，点击右侧的保存结果，会将电容值以文本的形式保存下来，再经过去零点运算，提供给图像重建算法，进行图像重建。

实施例1：

一种三维ECT数据采集系统，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，其特征在于：所述电容传感器为采用三维分布的极板，极板为矩形并设置在圆形管道的外部，管道外部设有屏蔽罩，极板分三层设置，每层设置四个，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈45°角旋转式分布，极板两侧还设置有接地的屏蔽环；所述数据采集装置由主电路板和外围设备构成。

所述外围设备为供电电源和串口USB转换器。

所述数据采集装置的主电路板与管道一并置于屏蔽罩内部。

实施例2：

一种三维ECT数据采集系统，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，其特征在于：所述电容传感器为采用三维分布的极板，极板为矩形并设置在圆形管道的外部，管道外部设有屏蔽罩，极板分三层设置，每层设置四个，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈90°角旋转式分布，极板两侧还设置有接地的屏蔽环；所述数据采集装置由主电路板和外围设备构成。

所述外围设备为供电电源和串口USB转换器。

所述数据采集装置的主电路板与管道一并置于屏蔽罩内部。

实施例3：

一种三维ECT数据采集系统，相邻两层极板之间呈0°角旋转式分布，其它同实施例1。

实施例4：

一种三维ECT数据采集系统，相邻两层极板之间呈20°角旋转式分布，其它同实施例1。

实施例5：

一种三维ECT数据采集系统，相邻两层极板之间呈70°角旋转式分布，其它同实施例1。

本发明提出了一种三维ECT数据采集系统，运行速度快、结构简单、抗干扰能力强、测量精度易于控制、适合工业环境应用。

Claims

1.一种三维ECT数据采集系统，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，其特征在于：所述电容传感器为采用三维分布的极板（1），极板（1）为矩形并设置在圆形管道（12）的外部，管道（12）外部设有屏蔽罩（11），极板（1）分三层设置，每层设置四个，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈0～90°角旋转式分布，极板（1）两侧还设置有接地的屏蔽环（13）；所述数据采集装置由主电路板（2）和外围设备构成。

2.根据权利要求1所述的一种三维ECT数据采集系统，其特征在于：所述管道（12）的直径为L，以L/7.7为系数，极板（1）的参数为：极板高度为：2.5L/7.7，极板宽度为：4 L/7.7，极板间径向距离为：2 L/7.7，极板间轴向距离为：2 L/7.7。

3.根据权利要求1所述的一种三维ECT数据采集系统，其特征在于：所述主电路板（2）由单片机及其外围电路构成，单片机以C8051F700为核心，外围电路包括极板电容输入电路、供电电路、LED显示电路以及串口输出电路。

4.根据权利要求1所述的一种三维ECT数据采集系统，其特征在于：所述外围设备为供电电源（21）和串口USB转换器（22）。

5.根据权利要求1所述的一种三维ECT数据采集系统，其特征在于：所述数据采集装置的主电路板（2）紧贴管道（12）外壁设置，并靠近极板（1）。

6.根据权利要求1或5所述的一种三维ECT数据采集系统，其特征在于：所述数据采集装置的主电路板（2）与管道（12）一并置于屏蔽罩（11）内部。

7.根据权利要求1所述的一种三维ECT数据采集系统，其特征在于：所述的相邻两层极板之间呈45°角旋转式分布。