CN102692433A - 一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统 - Google Patents
一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102692433A CN102692433A CN201210190939XA CN201210190939A CN102692433A CN 102692433 A CN102692433 A CN 102692433A CN 201210190939X A CN201210190939X A CN 201210190939XA CN 201210190939 A CN201210190939 A CN 201210190939A CN 102692433 A CN102692433 A CN 102692433A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- capacitance
- switch
- micro controller
- sensor
- control software
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
本发明提供了一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统，系统由硬件系统及控制软件组成，硬件系统包括电容传感器、微控器、组合阵列开关、激励源、电容电压转换和数模转换电路以及上位机六个部分，激励源用于生成高精度的正弦信号，组合阵列开关接收微控器发送的控制指令实现传感器极板工作模式的柔性组合，电容电压转换及采集模块实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理及模拟信号与数字信号的转换；控制软件安装在上位机上，通过控制软件界面为系统进行设置并向微控器发送信息。系统采用模块化设计配合控制软件，根据实际工作需求，进行模块化拼装，实现了激励极板与测量极板任意的柔性组合，提高了系统的环境适应能力、通用性及测量精度，节约了成本。
Description
技术领域
本发明属于电容层析成像技术领域，具体来说涉及一种柔性激励和组合检测的电容层析成像数据获取系统。
背景技术
电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography，简记为ECT）是一种新型的多相流参数检测技术，具有成本低、速度快、非侵入性、适用范围广和安全性好等优点，广泛应用于石油、环保、冶金、化工等经济行业中多相流流体分布情况的实时在线测量，以实现生产过程的监控和优化。
在电容层析成像系统领域，专利01112515.2《电容层析成像电容测量系统》和专利01120206.8《一种方形电容层析成象传感器》对传感器的形状进行了探讨，专利201110189099《一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置》介绍了一种传感器极板数及几何尺寸可以改变的传感器设计方法，但电容层析数据获取系统对不同形状、不同极板个数的传感器的自适应方面的研究还有所欠缺。
同时，杨五强等设计了基于交流激励的微电容测量电路，但传统的基于交流激励的ECT数据获取系统多以一种固定的激励模式配合一种固定的数据检测模式，如单电极激励单电极检测模式，即在一个电极上加载激励信号，检测其余各电极；三电极激励双电极检测模式，即在相邻的三个电极上同时加载激励信号，依次检测其余的相邻电极等。此外，现有ECT数据获取系统所适用的传感器的形状多为固定，主要包括圆形传感器或方形传感器；极板个数对于一个成像系统都是固定的，如8电极、12电极或16电极，不能够实现数据采集系统与不同极板数电容传感器之间的随意切换。
由于激励模式的固定和检测模式的不可调节性，使得传统的ECT数据获取系统存在着以下局限性：
（1）不同工作模式下的ECT数据获取系统，所获得的信息量不同，而不同的应用环境对信息量的需求量也有所不同。传统ECT数据获取系统，由于其工作模式及所适用的电容传感器极板个数固定，无法根据实际的工作环境随机的调整工作模式和电容传感器极板个数，系统的环境适应能力较差、通用性不强。
（2）由于传统的ECT数据获取系统通用性差，在实际的工作中，系统只能以类似定制的方式存在，不利于成本的节约。
发明内容
本发明针对现有ECT数据获取系统所存在的上述问题和不足，提供一种传感器极板的柔性组合电容层析成像数据获取系统，系统由硬件系统及控制软件组成；硬件系统包括电容传感器、微控器、组合阵列开关、激励源、电容电压转换和数模转换电路以及上位机六个部分，其特征在于：电容传感器与组合阵列开关相连，组合阵列开关与微控器、激励源连接，微控器与上位机相连，控制软件安装在上位机上，通过控制软件界面为系统进行设置并向微控器发送信息，激励源用于生成高精度的正弦信号，组合阵列开关接收微控器发送的控制指令实现传感器极板工作模式的柔性组合，电容电压转换及采集模块实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理及模拟信号与数字信号的转换。系统使用模块化的硬件设计配合控制软件，实现激励极板与测量极板任意的柔性组合，如实现单电极激励单电极检测模式、三电极激励双电极检测、四电极激励四电极检测等任意模式的选择，即达到激励模式和检测模式任意组合的目的。同时实现根据电容传感器的极板数的不同，随时进行数据采集系统的硬件组装和软件切换。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
系统使用模块化的硬件设计配合控制软件，实现激励极板与测量极板任意的柔性组合。系统中组合阵列开关与电容传感器、微控器和激励源相连接，接收微控器发送的控制指令，实现传感器极板工作模式的柔性组合；微控器与上位机相连，向组合阵列开关发送控制指令；激励源用于生成高精度的正弦信号；电容电压转换及采集模块实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理及模拟信号与数字信号的转换；控制软件安装在上位机上，通过控制软件界面对系统进行设置并向微控器发送信息。
本发明与现有技术比较，其优点在于：(1)实现了ECT数据获取系统工作极板之间的柔性组合，极板之间的切换模式可以根据实际的工作环境进行相应的选择，提高了系统的环境适应能力，适用性更强；(2)实现ECT数据获取系统硬件的模块化拼装，提高了系统的灵活性和通用性，使单套电容层析成像系统可以适用于不同的工作环境，为系统的便携性打下了基础且节约了经济成本；(3)根据系统的实际应用要求选择传感器极板的个数和极板之间的切换模式，有利于成像精度的提高。
附图说明
图1是本发明中ECT数据获取系统的系统示意图；
图2是本发明中传感器阵列开关中单极开关示意图；
图3是本发明中传感器极板作为激励电极时单极开关投掷示意图；
图4是本发明中传感器极板作为测量电极时单极开关投掷示意图；
图5是本发明中传感器极板接地时单极开关投掷示意图。
图6是本发明控制系统软件流程图。
图中：电容传感器1、组合阵列开关2、微控器3、激励源4、电容电压转换和模数转换5、通信接口6.0、数据信号线6.1、PCB板走线6.2、上位机7、单极开关8、电容传感器单片极板9、单刀双掷开关10.0、单刀双掷开关10.1、单刀单掷模拟开关10.2、电源地11、开关控制线12.0、开关控制线12.1、开关控制线12.2。
具体实施方式
以下结合附图介绍本发明详细技术方案：
如图1所示，传感器极板的柔性组合电容层析成像数据获取系统,硬件系统采用模块化设计。它包括电容传感器1、微控器3、组合阵列开关2、激励源4、电容电压转换和数模转换电路以及上位机六个部分。电容传感器与组合阵列开关相连，组合阵列开关与微控器、激励源连接，微控器与上位机相连，控制软件安装在上位机上，通过控制软件界面对系统进行设置并向微控器发送信息，激励源用于生成高精度的正弦信号，组合阵列开关接收微控器发送的控制指令实现传感器极板工作模式的柔性组合，电容电压转换及采集模块实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理及模拟信号与数字信号的转换；所述微控器向组合阵列开关发送控制指令，通过控制阵列开关的通断，实现对电极板之间激励极板和检测极板的柔性组合。
所述电容传感器1可以为圆形传感器或方形传感器，传感器极板数可以为八电极、十二电极或者十六电极，径向隔离电极和屏蔽罩可选装，电容传感器的单片极板9均通过0.5米长的同轴电缆线6.1结合SMA公头与一块的单极开关8相连。
所述的组合阵列开关2由八片、十二片或者十六片图2所示的单极开关8组成（单极开关的个数与传感器极板数相同），组合阵列开关2接受微控器3的控制。
如图2所示，单极开关8由一片单刀单掷模拟开关10.2、两片单刀双掷模拟开关10.0和10.1组成，模拟开关的控制端12.0、12.1和12.2通过控制总线连接至微控器3。单刀双掷开关选用芯片ADG1334,其内置四个独立可选的单刀双掷（SPDT）开关，最大的开关时间最大为150ns，双向导电性相同。单刀单掷开关选用ADG1414，其内置八路独立可选的单刀但只开关，最大开关时间为75ns。
所述的电容电压转换和模数转换5，实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理（包括信号的放大、解调、滤波等）及模拟信号与数字信号的转换。电容电压转换及信号放大均采用高速、高精度运放OPA637实现，解调中所使用的模拟乘法器使用AD633实现，滤波器使用八阶巴特沃斯低通滤波器MAX291，衰减率为80dB/十倍频。模数转换选用两片MAX1308ECM实现，该芯片提供8个、4个或2个独立输入通道，独立的采样保持(T/H)电路使得每个通道可以同时采样。
所述的单极开关8与电容电压转换和模数转换5，集成在一块3cm*5cm的电路板上，留有外接的控制总线及数据总线接口,使用板继连接器与微控器及激励信号源相连。同时留有连接传感器接口，以SMA母头的方式存在。
所述的激励源4使用高集成度的数字波形合成器AD9854实现，该芯片整合了两路高速、高性能正交D/A转换器，DDS核具有48位的频率分辨率，产生500kHz的高精度正弦波，AD9854接受微控器3的控制。
微控器3选用ALTERA公司生产的FPGA芯片EP3C10E144C8N，通过通信接口6.0与上位机相连，接受上位机控制并向上位机传送采集电容信息，并向组合阵列开关2发送控制信息，同时向电容电压转换和模数转换5发送控制信息和接收采集回的电容信息。
整个系统的硬件电路可以根据实际情况进行模块化的拼装。
如图3、图4、图5所示，分别给出电容传感器单片极板作为激励极板、测量极板、接地时，单极开关8的连接示意图。
如图6所示，为控制软件工作流程图，根据所使用的传感器极板数，通过上位机控制软件界面设置传感器极板数n，根据需要的激励模式和检测模式，选择激励极板和检测极板，然后设置采集方式，可选择单次测量或连续测量。以16极板传感器，相邻双电极激励双电极测量，单次测量为例：
●首先，设置极板数n为16，选择0号和1号极板为激励电极，选择2号和3号极板为测量电极；
●其次，设置采集方式为单次测量，随后上位机向微控器发送系统初始化信息；
●第三，发送初始化信息的过程是根据设置的极板数n，激励模式和检测模式以及采集方式，系统对微控器输出的阵列开关控制逻辑进行配置，对数模转换器和通信接口进行配置的过程；
●最后，在配置结束后，系统进入等待状态，当接受到开始命令时，系统进行单帧图形重建数据的采集，采集完毕，工作结束。
Claims (3)
1.一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统，由硬件系统及控制软件组成，硬件系统包括电容传感器、微控器、组合阵列开关、激励源、电容电压转换和数模转换电路以及上位机六个部分，其特征在于：电容传感器与组合阵列开关相连，组合阵列开关与微控器、激励源连接，微控器与上位机相连，控制软件安装在上位机上，通过控制软件界面对系统进行设置并向微控器发送信息，激励源用于生成高精度的正弦信号，组合阵列开关接收微控器发送的控制指令实现传感器极板工作模式的柔性组合，电容电压转换及采集模块实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理及模拟信号与数字信号的转换；所述微控器向组合阵列开关发送控制指令，通过控制阵列开关的通断，实现对电极板之间激励极板和检测极板的柔性组合。
2.根据权利要求1所述的一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统，其特征在于：所述组合阵列开关由八片、十二片或者十六片单极开关组成,单极开关的个数与传感器极板数相同，每个单极开关的一端与微控器、激励源以总线的方式相连，另一端通过电缆和SMA头与电容传感器相连。
3.根据权利要求1所述的一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统，其特征在于：其特征在于：所述控制软件在上位机控制软件界面上通过对所使用的传感器极板数、激励模式、检测模式和采集方式的设置对阵列开关控制逻辑及数模转换器和通信接口进行配置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210190939.XA CN102692433B (zh) | 2012-06-12 | 2012-06-12 | 一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210190939.XA CN102692433B (zh) | 2012-06-12 | 2012-06-12 | 一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102692433A true CN102692433A (zh) | 2012-09-26 |
| CN102692433B CN102692433B (zh) | 2015-05-20 |
Family
ID=46858030
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210190939.XA Expired - Fee Related CN102692433B (zh) | 2012-06-12 | 2012-06-12 | 一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102692433B (zh) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103698607A (zh) * | 2013-12-16 | 2014-04-02 | 天津科技大学 | 一种基于无线数字电极的阻抗谱测量系统 |
| CN106877194A (zh) * | 2015-12-11 | 2017-06-20 | 施耐德电器工业公司 | 用于电气交换台的可移除抽屉的通信接口以及电气交换台 |
| CN107076621A (zh) * | 2014-10-30 | 2017-08-18 | 3M创新有限公司 | 导电体的电容温度感测 |
| CN108346359A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-07-31 | 华北电力大学 | 一种教学用的ect通道板演示系统 |
| CN108593723A (zh) * | 2018-04-04 | 2018-09-28 | 华北电力大学 | 一种基于时序法的ad7746电容采集系统 |
| CN108577836A (zh) * | 2018-05-10 | 2018-09-28 | 吉林大学 | 柔性穿戴式ert-ect双模态成像复合阵列传感器装置 |
| CN109029798A (zh) * | 2017-06-12 | 2018-12-18 | 北京纳米能源与系统研究所 | 柔性电容型应力传感器信号采集及控制系统和方法 |
| CN109900747A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-06-18 | 西安苏普瑞斯检测科技有限公司 | 一种适用于液体介电常数探测的电容阵列采样装置 |
| CN110186999A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-08-30 | 天津大学 | 基于lcr表/阻抗分析仪的电容/电磁双模态成像测量系统 |
| CN110501587A (zh) * | 2019-08-09 | 2019-11-26 | 北京航空航天大学 | 一种基于电力线分布的Radon逆变换电容层析成像方法 |
| CN110514703A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-11-29 | 哈尔滨工业大学 | 一种平面式的电容层析成像系统及检测方法 |
| CN113075267A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-06 | 合肥鑫晟光电科技有限公司 | 液体浓度检测装置 |
| CN116124844A (zh) * | 2023-04-18 | 2023-05-16 | 中国石油大学(华东) | 基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1378080A (zh) * | 2001-03-29 | 2002-11-06 | 浙江大学 | 电容层析成像电容测量系统 |
| JP2005227182A (ja) * | 2004-02-13 | 2005-08-25 | Tokyo Electron Ltd | 容量型センサ |
| US20100332170A1 (en) * | 2009-06-30 | 2010-12-30 | Gao Robert X | Multiple Excitation Capacitance Polling for Enhanced Electronic Capacitance Tomography |
| CN102445469A (zh) * | 2011-09-27 | 2012-05-09 | 沈阳工业大学 | 一种三维ect数据采集系统 |
| CN202256236U (zh) * | 2011-07-06 | 2012-05-30 | 北京工业大学 | 一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置 |
-
2012
- 2012-06-12 CN CN201210190939.XA patent/CN102692433B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1378080A (zh) * | 2001-03-29 | 2002-11-06 | 浙江大学 | 电容层析成像电容测量系统 |
| JP2005227182A (ja) * | 2004-02-13 | 2005-08-25 | Tokyo Electron Ltd | 容量型センサ |
| US20100332170A1 (en) * | 2009-06-30 | 2010-12-30 | Gao Robert X | Multiple Excitation Capacitance Polling for Enhanced Electronic Capacitance Tomography |
| CN202256236U (zh) * | 2011-07-06 | 2012-05-30 | 北京工业大学 | 一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置 |
| CN102445469A (zh) * | 2011-09-27 | 2012-05-09 | 沈阳工业大学 | 一种三维ect数据采集系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张立峰,等: "一种新的电容层析成像电极组合激励测量模式", 《化工学报》, vol. 63, no. 3, 31 March 2012 (2012-03-31) * |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103698607A (zh) * | 2013-12-16 | 2014-04-02 | 天津科技大学 | 一种基于无线数字电极的阻抗谱测量系统 |
| CN107076621A (zh) * | 2014-10-30 | 2017-08-18 | 3M创新有限公司 | 导电体的电容温度感测 |
| CN106877194A (zh) * | 2015-12-11 | 2017-06-20 | 施耐德电器工业公司 | 用于电气交换台的可移除抽屉的通信接口以及电气交换台 |
| CN106877194B (zh) * | 2015-12-11 | 2021-03-09 | 施耐德电器工业公司 | 用于电气交换台的可移除抽屉的通信接口以及电气交换台 |
| CN109029798A (zh) * | 2017-06-12 | 2018-12-18 | 北京纳米能源与系统研究所 | 柔性电容型应力传感器信号采集及控制系统和方法 |
| CN108346359A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-07-31 | 华北电力大学 | 一种教学用的ect通道板演示系统 |
| CN108593723A (zh) * | 2018-04-04 | 2018-09-28 | 华北电力大学 | 一种基于时序法的ad7746电容采集系统 |
| CN108577836A (zh) * | 2018-05-10 | 2018-09-28 | 吉林大学 | 柔性穿戴式ert-ect双模态成像复合阵列传感器装置 |
| CN109900747A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-06-18 | 西安苏普瑞斯检测科技有限公司 | 一种适用于液体介电常数探测的电容阵列采样装置 |
| CN110186999A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-08-30 | 天津大学 | 基于lcr表/阻抗分析仪的电容/电磁双模态成像测量系统 |
| CN110501587A (zh) * | 2019-08-09 | 2019-11-26 | 北京航空航天大学 | 一种基于电力线分布的Radon逆变换电容层析成像方法 |
| CN110501587B (zh) * | 2019-08-09 | 2021-06-11 | 北京航空航天大学 | 一种基于电力线分布的Radon逆变换电容层析成像方法 |
| CN110514703A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-11-29 | 哈尔滨工业大学 | 一种平面式的电容层析成像系统及检测方法 |
| CN113075267A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-06 | 合肥鑫晟光电科技有限公司 | 液体浓度检测装置 |
| CN116124844A (zh) * | 2023-04-18 | 2023-05-16 | 中国石油大学(华东) | 基于激励切换的非金属复合材料老化状态多深度检测装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102692433B (zh) | 2015-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102692433B (zh) | 一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统 | |
| CN102937646B (zh) | 一种用于混凝土结构的健康监测系统 | |
| CN101561513B (zh) | 三维直流电法模拟实验观测装置及观测方法 | |
| CN203203603U (zh) | 一种无线电高度表的测试装置 | |
| CN201780363U (zh) | 一种电动机综合测试系统 | |
| CN103064570A (zh) | 互电容触摸屏触摸检测方法 | |
| CN101614690A (zh) | 一种多通道电化学分析仪 | |
| CN101872194B (zh) | 低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统及实现方法 | |
| CN103149441A (zh) | 应用于电化学测量的便携式阻抗谱分析仪及阻抗谱分析方法 | |
| CN107911119A (zh) | 一种应用于安防监控装置的采集数据处理系统 | |
| CN101188047A (zh) | 多通道差动信号监测电路 | |
| CN105784785A (zh) | 基于电阻层析成像的核反应堆棒束通道两相流测量系统 | |
| CN103033123A (zh) | 一种位移测量装置 | |
| CN202994075U (zh) | 一种位移测量装置 | |
| CN105677093A (zh) | 一种触控装置及电子设备 | |
| CN201233593Y (zh) | 一种电磁感应式滚动信息输入装置 | |
| CN201837729U (zh) | 高密度激电相位电测仪 | |
| CN103267585B (zh) | 用于电器发热试验测试角的数据采集系统 | |
| CN204789957U (zh) | 一种动态磁场多路波形测量装置 | |
| CN206038878U (zh) | 一种电源能效测试切换盒 | |
| CN100403351C (zh) | 全自动多通道多电极电法数据采集系统及其采集方法 | |
| CN109138994A (zh) | 一种随钻电阻率测量系统 | |
| CN203193385U (zh) | 一种用于变电站中变压器和gis的状态监测系统 | |
| CN101329161B (zh) | 多功能静态应变仪 | |
| CN206990774U (zh) | 一种智能型电源参数检测装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150520 Termination date: 20160612 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |