CN103454318A - 具有双层旋转电极的电容层析成像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明采用提供一种具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，该传感器的主体结构部分是由两层可自由旋转的外层旋转管、内层旋转管圆形管构成，在外层旋转管外周设有屏蔽电极，在所述主体的底部设置有一固定台；电容测量部分包含有电压激励信号源、电容测量电路形成的电容测量系统及仪器地；内层旋转管的内壁上至少粘附一个激励电极，所述外层旋转管的内壁上至少粘附一个测量电极，并粘附保护电极。本发明的效果是采用该结构的传感器内、外两层旋转管以管道中心为轴自由旋转，从而使附着于旋转管壁上的检测电极可对传感器的敏感区域连续扫描，可从任意角度测量激励电极、测量电极之间的电容值，可用电容测量数据的数目可比原有传感器增加10倍乃至100倍以上。

Description

具有双层旋转电极的电容层析成像传感器

技术领域

本发明涉及一种过程成像装置，特别是一种具有双层旋转电极的电容层析成像传感器。

背景技术

电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography,ECT）系统依赖布置于被测场域边界的阵列电极获取一系列的电容测量值，并利用电容测量值与被测场域内介质分布之间的关系进行图像的重建，得到被测场域内介质分布图像。传感器是ECT系统信息的源泉。通常ECT传感器的阵列电极为固定式，即电极个数固定,多为8，12个，尺寸固定，位置不可移动、不可旋转；且实施电容测量时，1个激励电极与1个测量电极以1+1的形式出现。这种情况下，有效的电容测量值极为有限，为n(n-1)/2，其中n为电极个数。由于电极个数不多于12，有效的测量数仅为66个。虽然增加电极个数n可增加有效测量数，但势必以减小电极宽度为代价，随之而来的是被测电容的降低，从而对测量系统提出更高的精度要求，使硬件成本大幅提高。有鉴于此，研究人员提出一些解决方法。其一，增加电极个数的同时采取多电极并联激励、并联测量的方法，使测量电容不致显著降低，并增加有效的测量数。

清华大学彭黎辉教授等人设计的36电极ECT传感器，就是采取这种策略。其二，对已有ECT传感器改造，增加机械旋转机构，从不同角度获取多组电容测量值，同样可增加有效测量数。如波兰Lodz大学设计的旋转式4电极ECT传感器。但是，与其他成像技术相比，ECT的有效测量数还是偏少，影响其成像质量的进一步提高。通常，ECT传感器采用的固定式电极结构，其角度、位置固定，而使有效测量数据受到很大限制。一直以来，成像分辨率低是ECT难于得到大规模推广的根本原因。

现有ECT采用固定式传感器，传感器电极数目多为8、12、16个，其能提供的测量数据非常有限，而导致ECT提供的重建图像分辨率不同。因而，设计能够获取更多有效测量数据的传感器关乎ECT技术进一步的发展和推广应用，是目前亟待解决的一项技术难题。

发明内容

针对上述技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种具有双层旋转电极的ECT传感器，利用两层可自由旋转的旋转部件，使ECT检测电极可对被测场域实施多角度的激励、测量，从而达到增加有效测量数据、提高ECT图像分辨率的效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，该传感器包括有主体结构部分及电容测量部分，其特征是：所述主体结构部分是由两层可自由旋转的圆形管构成，即两层之间存有一定间隙的外层旋转管、内层旋转管，在所述外层旋转管外周设有屏蔽电极，在所述主体的底部设置有一固定台；所述电容测量部分包含有电压激励信号源、电容测量电路形成的电容测量系统及仪器地；

所述内层旋转管的内壁上至少粘附一个激励电极，所述外层旋转管的内壁上至少粘附一个测量电极，并粘附保护电极；电容测量系统工作时，激励电极与电压激励信号源相连；测量电极与电容测量电路相连，处于虚地电位状态；保护电极与屏蔽电极与仪器地相连，处于地电位。

本发明的效果是采用该结构的传感器内、外两层旋转管以管道中心为轴自由旋转，从而使附着于旋转管壁上的检测电极可对传感器的敏感区域连续扫描，可从任意角度测量激励电极、测量电极之间的电容值。该结构的传感器一、可用电容测量数据的数目可比原有传感器增加10倍乃至100倍以上；二、电极个数较原有传感器减少，从而使电容测量系统得以简化。

附图说明

图1是本发明的双层旋转电极传感器的整体结构正面剖视图；

图2是本发明的双层旋转电极传感器的整体结构俯视图；

图3是本发明的内层旋转管内壁电极布置图；

图4是本发明的外层旋转管展开内壁电极布置图；

图5是本发明的外层旋转管外壁电极布置图；

图6是本发明的电极连接关系图。

图中：

1、外层旋转管      2、内层旋转管      3、固定台         4、激励电极

5、保护电极        6、测量电极        7、屏蔽电极       8、电压激励信号源

9、电容测量电路   10、电容测量系统11、仪器地

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的具有双层旋转电极的ECT传感器结构加以说明。

本发明的具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，该传感器包括有主体结构部分及电容测量部分，所述主体结构部分是由两层可自由旋转的圆形管构成，即两层之间存有一定间隙的外层旋转管1、内层旋转管2，在所述外层旋转管1外周设有屏蔽电极7，在所述主体的底部设置有一固定台3；所述电容测量部分包含有电压激励信号源8、电容测量电路9形成的电容测量系统10及仪器地11。

所述内层旋转管2的内壁上至少粘附一个激励电极4，所述外层旋转管1的内壁上至少粘附一个测量电极6，并粘附保护电极5；电容测量系统10工作时，激励电极4与电压激励信号源8相连；测量电极6与电容测量电路9相连，处于虚地电位状态；保护电极5与屏蔽电极7与仪器地11相连，处于地电位。

所述激励电极4与电压激励信号源8相连、测量电极6与电容测量电路9连接，通过电容测量系统10进行测量，或激励电极4与电容测量电路9相连，而测量电极6与电压激励信号源8相连时，仍通过电容测量系统10进行测量。

所述激励电极4的形状为高、宽尺寸可调整6矩形，粘贴于内侧旋转管2内壁的中间位置；测量电极6的形状为高、宽尺寸可调整6矩形，并与激励电极4等高，粘贴于外层旋转管1内壁的中间位置；保护电极5紧密包围测量电极6，保护电极5和测量电极6之间有细小缝隙，互不导通；保护电极5与测量电极6共同均布外层旋转管1的内壁，其中可有多个测量电极。

所述外层管道1、内层旋转管道2、固定台3均采用有机玻璃或非导电性材料制作。

所述激励电极4、保护电极5、测量电极6、屏蔽电极7均采用可导电的金属薄片制作。

图1所示为本发明的具有双层旋转电极的ECT传感器结构的整体结构，所述传感器的主体包括有内层旋转管2、外层旋转管1。传感器激励电极4、保护电极5、测量电极6、屏蔽电极7分别布置于内层旋转管2的内壁、外层旋转管1的内壁及外壁，图3给出了激励电极的布置图。测量电极4粘附于内层旋转管2的内壁，形状为矩形，位于中间位置。图4为外层旋转管内壁电极布置图。该部分电极由两部分构成，即保护电极5和测量电极6。本实施例中，包含激励电极4及测量电极6各一，但本发明亦可采用其他电极数目。图5是外层旋转管1的外壁电极布置图，构成了传感器的屏蔽电极7。

如图2～4所示，内层旋转管2内部区域为传感器的敏感区域，置于其中的介质因其介电常数、分布不同，而导致电容测量值不同，电容及其变化可被一对ECT检测电极测量。与此不同，双层旋转电极的旋转部件可由步进电机、伺服电机以及手动方式驱动，可以极小的角度步长θ，其中θ=360□/N，其中N为正整数，表示旋转机构旋转一周所需的步数连续旋转，使得其得以在整个圆周上拥有N个观测角度。在此，N可为大于12的正整数，一般普通ECT传感器中的电极个数为12。

如图1、2所示，本发明的具有双层旋转电极的ECT传感器的结构主体是由两层可自由旋转的圆形管道构成。其中，两层旋转管道的材质为有机玻璃或其他非导电性材料；两层旋转管的高度相同，在本例中高度为300mm；内层旋转管道2、外两层管道1的内径外径分别为：100mm、110mm、115mm、125cm。在内层旋转管道2及外层旋转管道1之间存有一定间隙，即为2.5mm，使两管道在旋转时不致产生接触和摩擦。

为方便安装旋转驱动装置，在传感器的底部设置有一固定台3。固定台3也可作为测试物的支撑台。固定台3的材质与管道相同，均可以采用有机玻璃或其他非导电性材料制作。

在本传感器中，参与检测的电极有激励电极4及测量电极6，如图3、图4所示。在进行电容检测时，激励电极4与电压激励信号源8产生的电压激励信号相连；测量电极6与电容测量电路9相连。激励电极4及测量电极6可互换。其中，信号源提供的激励信号为幅值20V，频率1MHz的正弦交流电压信号。如图4所示，测量电极6与保护电极5之间由一狭缝相隔离。当测量电极6工作时，其处于虚地电位；此时，保护电极5接仪器地11，从而使测量电极与保护电极处于等电位状态。在外层旋转管1的外壁布置有屏蔽电极7，如图5所示，同样与仪器地11相连。这种状态有利于隔绝外部电场对管道内电场的影响，提高电容测量的精度。此时，激励电极4、保护电极5、测量电极6与屏蔽电极7具有特定电位，在内层旋转管2内形成电场。其中，该电场的电势分布可由麦克斯韦电磁场方程组确定。

内层旋转管2、外层旋转管1均可自由旋转，驱动方式可采用步进电机、伺服电机以及手动等方式。以步进电机驱动方式为例，可实现绝对定位精度0.01°。当设定最小步进角为1°时，激励电极4、测量电极6可分别达到360个旋转角度，即N=360。此种情况下，激励及测量电极所有可能的角度组合可达到360*360=129600个。与之相比，通常的12电极ECT传感器的所有可能的角度组合仅有66个。

以上对本发明进行示意性描述，并不局限于此，附图中所示只有是本发明的实施方式之一，若本领域研究人员在不脱离本发明宗旨的情况下，提出与该技术方案相似的结构形式，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，该传感器包括有主体结构部分及电容测量部分，其特征是：所述主体结构部分是由两层可自由旋转的圆形管构成，即两层之间存有一定间隙的外层旋转管（1）、内层旋转管（2），在所述外层旋转管（1）外周设有屏蔽电极（7），在所述主体的底部设置有一固定台（3）；所述电容测量部分包含有电压激励信号源（8）、电容测量电路（9）形成的电容测量系统（10）及仪器地（11）；

所述内层旋转管（2）的内壁上至少粘附一个激励电极（4），所述外层旋转管（1）的内壁上至少粘附一个测量电极（6），并粘附保护电极（5）；电容测量系统（10）工作时，激励电极（4）与电压激励信号源（8）相连；测量电极（6）与电容测量电路（9）相连，处于虚地电位状态；保护电极（5）与屏蔽电极（7）与仪器地（11）相连，处于地电位。

2.根据权利要求1所述的具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，其特征是：所述激励电极（4）与电压激励信号源（8）相连、测量电极（6）与电容测量电路（9）连接，通过电容测量系统（10）进行测量，或激励电极（4）与电容测量电路（9）相连，而测量电极（6）与电压激励信号源（8）相连时，仍通过电容测量系统（10）进行测量。

3.根据权利要求1所述的具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，其特征是：所述激励电极（4）的形状为高、宽尺寸可调整（6）矩形，粘贴于内侧旋转管（2）内壁的中间位置；测量电极（6）的形状为高、宽尺寸可调整（6）矩形，并与激励电极（4）等高，粘贴于外层旋转管（1）内壁的中间位置；保护电极（5）紧密包围测量电极（6），保护电极（5）和测量电极（6）之间有细小缝隙，互不导通；保护电极（5）与测量电极（6）共同均布外层旋转管（1）的内壁，其中可有多个测量电极。

4.根据权利要求1所述的具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，其特征是：所述外层管道（1）、内层旋转管道（2）、固定台（3）均采用有机玻璃或非导电性材料制作。

5.根据权利要求1或2所述的具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，其特征是：所述激励电极（4）、保护电极（5）、测量电极（6）、屏蔽电极（7）均采用可导电的金属薄片制作。

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