CN104569614A - 差分式电容层析成像传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种差分式电容层析成像传感器，该传感器的测量电极、差分电极多个成对对称均匀分布于绝缘管道与外屏蔽层之间相连，测量电极紧贴于绝缘管道上，在绝缘管道上部及下部均设有保护电极，并对应有一个测量电极；每对测量电极与差分电极通过开关网络连接至开关网络的正向正弦电压信号源、负向正弦电压信号源或运算放大器；并将流入运算放大器反向输入端的电流转换为输出电压。同时提供差分式电容层析成像传感器的测量方法。有益效果是可抵消测量电极对之间的电容基础值，电容测量电路直接检测各测量电极对电容相对于其电容基础值的变化量，使得被测电容的动态范围降低为原来的20～30％；降低对电容测量电路动态测量范围的要求，简化电路设计，提高系统信噪比12dB。

Description

差分式电容层析成像传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种差分式电容测量方法，特别是一种采用差分式电容层析成像传感器及测量方法。

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传感器的电极个数为8、12或16个电极每层，并可在轴向上构成多层结构；且实施电容测量时，检测各个测量电极对之间的电容值。这种情况下，有效的电容测量数为n(n-1)/2个，其中n为电极个数。当电极个数为12时，有效的测量数仅为66个。ECT多用于工业管道测量，传感器截面为圆形，电极均匀分布于圆周。由于传感器的结构特点，使得各电极对之间的电容数值差别很大。以12电极ECT传感器为例，相邻电极之间的电容、相对电极之间的基础电容值(ECT称为空场值)分别为0.5pF、0.01pF。此外，ECT测量主要为获得电容变化量而非电容的绝对数值。但是，实际测量中，电容基础值又远高于电容变化量，仅为0.1～100fF。这就要求ECT测量电路具有很高的动态测量范围和测量精度。

ECT图像重建所需数据为电容变化量，电容基础值对图像重建结果并无影响。消除电容基础值可有效的降低被测电容的动态范围，有助于提高ECT系统的性能。相邻电极之间电容远大于其他电极对的电容，可相差10倍以上，在实践中往往放弃测量相邻电极电容值，以减少被测电容的动态测量范围；然而，这种做法进一步减少电容测量数据，无益于提高ECT图像重建质量。径向屏蔽电极可有效降低相邻电极之间的电容基础值，并已在ECT传感器设计中广泛使用。径向屏蔽电极是在各测量电极之间嵌入接地屏蔽电极，隔断相邻电极在成像区域外侧电场线，从而减少电容值。从测量的角度考虑，径向屏蔽电极有益无害，但在传感器制作比较困难。而且，相邻电极在成像区域及绝缘管道内仍有电场线相连，由于空气的相对介电常数为1，仍会有相当大的电容基础值。

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差分式电容层析成像传感器及测量方法，利用差分传感器电极对的电容抵消测量电极对的电容基础值，使ECT检测电路可直接测量电容变化量，从而达到降低被测电容动态范围、提高电容测量精度的效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种差分式电容层析成像传感器，其中：该传感器包括有测量电极、差分电极、绝缘管道、外屏蔽层、保护电极，所述外屏蔽层设于绝缘管道的外部，所述测量电极、差分电极多个成对对称均匀分布于绝缘管道与外屏蔽层之间相连，所述测量电极紧贴于绝缘管道上，在绝缘管道上部及下部均设有保护电极，上部及下部的保护电极均对应有一个测量电极；测量电极同样与差分电极成n对出现；每对测量电极与差分电极通过由电子开关S1～S8构成的开关网络连接至开关网络的正向正弦电压信号源、负向正弦电压信号源或运算放大器；所述运算放大器与反馈电阻、反馈电容构成电流/电压转换器，并将流入运算放大器反向输入端的电流转换为输出电压。

同时提供一种上述差分式电容层析成像传感器的测量方法。

本发明的效果是由于差分电极对的电容可抵消测量电极对之间的电容基础值，电容测量电路直接检测各测量电极对电容相对于其电容基础值的变化量，使得被测电容的动态范围降低为原来的20％～50％；进一步降低了对电容测量电路动态测量范围的要求，可简化电路设计，提高系统信噪比12dB。

附图说明

图1是本发明的差分式电容层析成像传感器的纵截面视图；

图2是图1的Α-Α剖视图；

图3是检测电路原理示意图。

图中：

1、外屏蔽层 2、测量电极 3、差分电极 4、绝缘管道

5、保护电极 6、输出电压 7、正向正弦电压信号源

8、反向正弦电压信号源 9、运算放大器

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的差分式电容层析成像传感器及测量方法加以说明。

本发明的差分式电容层析成像传感器及测量方法利用差分式电容层析成像传感器实现差分式测量。

本发明的差分式电容层析成像传感器，该传感器包括有测量电极2、差分电极3、绝缘管道4、外屏蔽层1、保护电极5，所述外屏蔽层1设于绝缘管道4的外部，所述测量电极2、差分电极3多个成对对称均匀分布于绝缘管道4与外屏蔽层1之间相连，所述测量电极2紧贴于绝缘管道4上，在绝缘管道4上部及下部均设有保护电极5，上部及下部的保护电极5均对应有一个测量电极2；测量电极2同样与差分电极3成n对出现；每对测量电极2与差分电极3通过由电子开关S1～S8构成的开关网络连接至开关网络的正向正弦电压信号源7、负向正弦电压信号源8或运算放大器9；所述运算放大器9与反馈电阻R_f、反馈电容C_f构成电流/电压转换器，并将流入运算放大器9反向输入端的电流转换为输出电压6。

所述测量电极2、差分电极3至少为四对。所述测量电极2、差分电极3至少设置一层。所述保护电极5至少设置一层。

图1所示为本发明的差分式电容层析成像传感器的纵截面视图，所述差分式电容层析成像传感器的主体包括有外屏蔽层1、8个测量电极2、8个差分电极3、绝缘管道4及其上、下部各8个保护电极5。测量电极2与差分电极3成对出现，差分电极3位于测量电极2外侧，均匀分布于绝缘管道4轴向的外围。在每个测量电极2的上、下方各对应设置一个保护电极5。

图2为图1中Α处的横截剖面视图。差分式电容层析成像传感器工作时，其中一测量电极2处于正相激励状态；与此测量电极2对应的差分电极3处于反相激励状态。其余7个测量电极2分别与对应的差分电极3通过模拟电子开关实现电气相连，处于虚地状态。当此次测量完成后，使下一个测量电极2处于激励状态，进行测量。如此循环，使激励状态遍历各测量电极2，完成全部测量。各保护电极5的电位和对应的测量电极2的电位相同，可为正相激励状态或接地状态。

图3为检测电路原理示意图。每对测量电极2和差分电极3由模拟电子开关或继电器，即图3中电子开关S1～S8组成的开关网络连接至正向正弦电压信号源7、反向正弦电压信号源8和运算放大器9。测量电极2与差分电极3的状态切换由电子开关S1～S8完成。其中，当电子开关S3、S5、S6、S7接通，电子开关S1、S2、S4、S8断开时，测量电极2通过开关S3、S5连接至正向电压信号源7，差分电极3通过电子开关S6、S7连接至反向电压信号源8，处于激励状态；当电子开关S3、S5、S6、S7断开，电子开关S1、S2、S4、S8接通时，测量电极2及差分电极3与信号分别通过电子开关S1、S2连接至运算放大器9的反向输入端，流经测量电极2及差分电极3的电流馈入运算放大器9的由反馈电阻R_f、反馈电容C_f构成的反馈阻容网络，在运算放大器9的输出端产生输出电压6。运算放大器9及其反馈阻容网络构成一个反向加法器电路，可将从测量电极2、差分电极3流入的电流相加。由于对测量电极2接受正向电压信号源的电压激励，差分电极3接受反向电压信号源的电压激励，从测量电极2和差分电极3流入的电流极性相反，因而可利用从差分电极3流入的电流抵消部分从测量电极2流入的电流，实现差分式测量。

本发明的差分式电容层析成像传感器的测量方法是这样实现的，该方法包括以下步骤：

1)电容检测

如要检测所述n对电极中第i对测量电极2与差分电极3与第j对测量电极2与差分电极3之间的电容检测值C(i,j)，其中i,j＝1,2,3,…,n，则需将第i对测量电极2与差分电极3置于激励状态，余下的各对测量电极2与差分电极3置于检测状态，此时，检测第i对测量电极2与差分电极3相连的运算放大器9的输出电压6的幅值V_o ^(i,j)；

运算放大器9将从第对测量电极2及差分电极3流入的电流换输出电压6与被测电容值的关系如下：

$V_o\left(t\right)=-\frac{\mathrm{j\ω}{R}_f(C_m-C_d)}{{\mathrm{j\ωC}}_f{R}_f+1}{V}_i\left(t\right)$

其中，V_i(t)为正向正弦电压信号，为ω正弦信号的角频率，C_m为测量电极(2)与正向激励电极之间的电容值，C_d为差分电极3与反向激励电极之间的电容值。由于V_i(t)、R_f、C_f及ω为恒定量，上式可简化为：

C_m-C_d＝k|V_o|

其中，|V_o|为输出电压6的幅值，由于C_d为恒定量，k|V_o|实际表示C_m相对于C_d的变化量。则第i对电极与第j对电极之间的电容检测值为：

$C(i,j)=C_m(i,j)-C_d(i,j)=k\left|V_o^{(i,j)}\right|.$

2)通道循环，完成一帧数据测量

对于所述n对电极ECT传感器，要完成一帧数据检测，共需检测共n(n-1)/2个电容值，具体操作为：

初始化，令i＝1；

第一步，将第i对测量电极2及差分电极3置于激励状态，余下各对电极均置于检测状态；对于置于检测状态的各对电极，通过检测各运算放大器9的输出电压6得到的电容检测值，依次记为：C(i,j)，其中j＝i+1,i+2,…,n。

第二步，令i＝i+1，并执行第一步的操作；

循环执行步骤2的第二步，当第n-1对测量电极2及差分电极3处于激励状态并完成检测C(n-1,n)时，终止循环；至此，共得到n(n-1)/2个电容检测值。

本实施例中，差分电极3位于测量电极2径向外侧，亦可将差分电极置于测量电极轴向两侧。

本实施例中，运算放大器为LM6364，各开关为单刀单掷型模拟电子开关，R_f、C_f分别为1MΩ和22pF，激励电压信号V_i(t)的频率为1MHz，幅值为18V_p-p。

本实施例中，包含测量电极2及差分电极3各8个，但亦可采用其他电极数目，如4、6、8、12、16等数目。

本实施例中，测量电极2位于绝缘管道4管道外侧，但亦可采用绝缘管道4内侧安装测量电极2的方式；此时差分电极3可安装于绝缘管道4内侧或外侧，但仍位于测量电极2外侧。

本实施例中，测量电极2及差分电极3在轴向上只设置一层，但亦可在轴向上布置多层。此时，保护电极5可为两层，分别布置于轴向两端；亦可布置三层或多层，分别布置于绝缘管道4轴向两侧或两层测量电极2之间轴向上。

在本实施例中，差分式电容层析成像传感器横截面为圆形，但本发明的差分式电容层析成像传感器结构亦适用于方形或其他形状。

如图1、2所示，本发明的差分式电容层析成像传感器的结构主体是由测量电极、差分电极及外屏蔽层安装于管道外侧构成。其中，绝缘管道4的材质为有机玻璃或其他绝缘材料，内径外径分别为：80mm、100mm；各测量电极2与差分电极3的张角相同，在本实施例中为40.5度；轴向长度相同，在本实施例中为150mm。测量电极2紧贴于绝缘管道4外壁，可认为测量电极2所在圆周直径为100mm；差分电极3位于测量电极2外侧，二者之间绝缘，差分电极3所在圆周的直径为104mm。

由于各测量电极对之间的电容存在基础电容值，而与之相应的差分电极对之间的电容数值与此基础电容值接近，因而可籍此抵消各测量电极2之间电容的基础电容值。当成像区域内介质的介电常数/分布变化后，各测量电极对之间的电容会发生变化；而各差分电极对之间的电容并不受此影响。据于差分原理，测量电路可直接检测两个电极对之间电容的差值，而非测量电极对之间电容的绝对数值，从而大幅降低被测电容的动态范围。

对于8电极ECT传感器，采用所述的差分式传感器，被测电容范围可降低为原传感器的20～30％。由此产生的有益效果：(1)降低对ECT微小电容检测电路的要求，简化可编程增益放大环节，增强ECT系统的鲁棒性；(2)可将电容检测电路的固定增益提高为原来的4倍，由此增加2个ADC有效位数，理论上可提高系统信噪比约12dB。

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方法，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种差分式电容层析成像传感器，其特征是：该传感器包括有测量电极(2)、差分电极(3)、绝缘管道(4)、外屏蔽层(1)、保护电极(5)，所述外屏蔽层(1)设于绝缘管道(4)的外部，所述测量电极(2)、差分电极(3)多个成对对称均匀分布于绝缘管道(4)与外屏蔽层(1)之间相连，所述测量电极(2)紧贴于绝缘管道(4)上，在绝缘管道(4)上部及下部均设有保护电极(5)，上部及下部的保护电极(5)均对应有一个测量电极(2)；测量电极(2)同样与差分电极(3)成n对出现；每对测量电极(2)与差分电极(3)通过电子开关(S1)～(S8)构成的开关网络连接至开关网络的正向正弦电压信号源(7)、负向正弦电压信号源(8)或运算放大器(9)；所述运算放大器(9)与反馈电阻(R_f)、反馈电容(C_f)构成电流/电压转换器，并将流入运算放大器(9)反向输入端的电流转换为输出电压(6)。

2.一种利用权利要求1所述差分式电容层析成像传感器的测量方法，该方法包括以下步骤：

1)电容检测

如要检测所述n对电极中第i对测量电极(2)与差分电极(3)与第j对测量电极(2)与差分电极(3)之间的电容检测值C_m(i,j)，其中i,j＝1,2,3,…,n，则需将第i对测量电极(2)与差分电极(3)置于激励状态，余下的各对测量电极(2)与差分电极(3)置于检测状态，此时，检测第i对测量电极(2)与差分电极(3)相连的运算放大器(9)的输出电压(6)的幅值V_o ^(i,j)；

运算放大器(9)将从所述第j对测量电极(2)及差分电极(3)流入的电流换输出电压(6)与被测电容值的关系如下：

$V_o\left(t\right)=-\frac{{\mathrm{j\ωR}}_f(C_m-C_d)}{{\mathrm{j\ωC}}_f{R}_f+1}{V}_i\left(t\right)$

其中，V_i(t)为正向正弦电压信号，ω为正弦信号的角频率，C_m为测量电极(2)与正向激励电极之间的电容值，C_d为差分电极(3)与反向激励电极之间的电容值，由于V_i(t)、R_f、C_f及ω为恒定量，上式可简化为：

C_m-C_d＝k|V_o|

其中，|V_o|为输出电压(6)的幅值，由于C_d为恒定量，k|V_o|实际表示C_m相对于C_d的变化量，则第i对电极与第j对电极之间的电容检测值为：

$C(i,j)=C_m(i,j)-C_d(i,j)=k\left|V_o^{(i,j)}\right|;$

2)通道循环，完成一帧数据测量

对于所述n对电极ECT传感器，要完成一帧数据检测，共需检测共n(n-1)/2个电容值，具体操作为：

初始化，令i＝1；

第一步，将第i对测量电极(2)及差分电极(3)置于激励状态，余下各对电极均置于检测状态；对于置于检测状态的各对电极，通过检测各运算放大器(9)的输出电压(6)得到的电容检测值，依次记为：C(i,j)，其中j＝i+1,i+2,…,n；

第二步，令i＝i+1，并执行第一步的操作；

循环执行步骤2)的第二步，当第n-1对测量电极(2)及差分电极(3)处于激励状态并完成检测C(n-1,n)时，终止循环；至此，共得到n(n-1)/2个电容检测值。