CN110068583A - 一种多模态传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由四端口柔性PCB电极构成的多模态传感器，包括内部为所测场域的绝缘支撑管，沿其纵向轴线包括相邻的第一截面和第二截面；设置于所述第一截面的电阻/电容层析成像感应器，所述电阻/电容层析成像感应器包括沿所述绝缘支撑管的内壁圆周均布的多个四端口柔性PCB电极，和固定于所述绝缘支撑管的外壁的径向屏蔽金属壳，各四端口柔性PCB电极的纵向轴线与所述绝缘支撑管的纵向轴线平行；设置于所述第二截面的谐振腔感应器。本发明通过四端口电极设计，将电阻层析成像感应器与电容层析成像传感器进行了集成，并将其集成与谐振腔融合形成多模态传感器，从而实现对拥有不同导电性的多相流的测量。

Description

一种多模态传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体地涉及一种四端口柔性PCB电极及由其构成的应用于多相流检测的多模态传感器。
背景技术
作为过程层析成像技术的一种实现方式，电学层析成像技术是以两相流或者多相流为检测对象，主要通过电学测量的方法来研究过程参数分布的实时检测技术。该技术通过测量安装在未知容器或管道表面的电极间的电容/电阻抗值，可以重建出容器或者管道的内部介电常数/电导率分布，从而快速、无损地获得未知容器内部的介质分布情况。与传统的断层参数获取技术相比，电学层析成像技术的主要优点主要体现在以下几方面：1)能提供在线的二维或三维可视化信息；2)可提取被测对象内部的介电常数或电导率分布信息，且无辐射、安全无害；3)非侵入，不破坏待测物场分布；4)响应快、实时性强；5)结构简单，成本低廉。
然而，随着电学层析成像技术在多相流检测中的研究深入，电学层析成像技术在检测多相流中的缺陷逐渐显现出来，例如电容层析成像在具有非导电性的多相流(例如气、油两相)的检测中具有良好的表现，但是其在具有导电性的多相流的检测中会出现测量性能下降甚至失效的情况。而电阻层析成像在具有导电性的多相流中有较好的表现，在非导电性的多相流检测中失效。电容层析成像技术和电阻层析成像技术可以相互补偿其在多相流检测中的弱势。因此，已经有关于将电阻层析成像技术和电容层析成像技术进行融合的研究发表，但是如何判断当前所测流体的导电性，选择电容层析成像技术或者电阻层析成像技术，一直是未解决的问题。
发明内容
针对上述已有技术存在的不足，本发明提出了一种将谐振腔和电学成像技术融合的多模态传感器，在电阻层析成像和电容层析成像的模态之间进行切换，最终实现具有不同导电性的多相流的测量。
在微波技术中谐振腔是非常重要的组成部分，谐振腔的入射端天线使电磁波进入谐振腔。电磁波在腔内连续反射，若波形和频率与谐振腔匹配，可形成驻波，即，发生谐振。在多相流检测中，谐振腔技术已经成功被用来检测油水混合物中水的含量，并且具有高灵敏性和高精度性。
典型的谐振腔测量系统主要包括两个部分；1)获取被测场谐振频率的谐振腔传感器--它在一个频率范围内的扫频信号激励下，通过特殊的腔体结构会形成谐振，加在腔体上的天线被用来施加激励信号和接收信号；2)数据采集和处理单元，矢量网络分析仪(VNA)或者标量网络分析仪(SNA)被用来搜寻谐振频率，谐振频率会随着场域内物质的构成的变化而变化。
根据本发明的一方面，提供了一种四端口柔性PCB电极，包括电阻/电容测量电极片、两个相同的轴向屏蔽电极片和四个接线端口，
所述轴向屏蔽电极片对称且不相连地设置于所述电阻/电容测量电极片的纵向两端，
所述电阻/电容测量电极片包括电容测量电极片和电阻测量电极片，所述四个接线端口分别设置在两个轴向屏蔽电极片、所述电容测量电极片和所述电阻测量电极片上，
所述电容测量电极片包括矩形金属片，所述电阻测量电极包括不相连地嵌于所述矩形金属片内部的环形金属片。
根本本发明的另一方面，提供了一种利用上述四端口柔性PCB电极的多模态传感器，包括：
内部为所测场域的绝缘支撑管，沿其纵向轴线包括相邻的第一截面和第二截面；
设置于所述绝缘支撑管的第一截面的电阻/电容层析成像感应器，所述电阻/电容层析成像感应器包括沿所述绝缘支撑管的内壁圆周均布的多个四端口柔性PCB电极，和固定于所述绝缘支撑管的外壁的径向屏蔽金属壳，各四端口柔性PCB电极的纵向轴线与所述绝缘支撑管的纵向轴线平行；
设置于所述绝缘支撑管的第二截面的谐振腔感应器，所述谐振腔感应器包括安装于所述绝缘支撑管的外壁的谐振腔外壳以及由所述谐振腔外壳和所述绝缘支撑管的外壁限定的谐振腔体。
优选地，谐振腔感应器的最优尺寸参数以及其空载谐振频率，可以根据所测场域的谐振频率、品质因数和场分布以及绝缘支撑管的结构和尺寸，通过计算机仿真得到，具体仿真过程如下：
根据绝缘支撑管的结构和尺寸，在有限元仿真软件中建立谐振腔感应器的矩形或圆柱谐振腔体结构；选择不同的谐振模式，得到谐振腔感应器的谐振频率；利用有限元仿真软件的参数扫描功能，分别分析谐振腔感应器的各尺寸参数对谐振频率的影响，最终确定谐振腔感应器的最优尺寸参数，并得到其空载谐振频率。
优选地，可以使用HFSS的参数扫描功能，分别分析谐振腔体的长、宽、高和谐振频率及品质因数之间的关系，进一步确定谐振腔感应器的最优尺寸参数。
优选地，通过谐振腔感应器的谐振频率可以来推断多相流的含水率，然后与含水率的设定阈值作对比：当含水率小于设定阈值，则采用电容层析成像来实现多相流的横截面的图像重建；当含水率大于设定阈值，则采用电阻层析成像来实现多相流的横截面的图像重建。
优选地，各所述四端口柔性PCB电极的宽度与相邻四端口柔性PCB电极之间的间隙的比值可以为9:1，各所述四端口柔性PCB电极的宽度为[(d*π)÷n]×0.9,d为绝缘支撑杆的外径，n为四端口柔性PCB电极的数量。
优选地，相邻四端口柔性PCB电极之间的间隙内可以设置有周向屏蔽金属片。
优选地，各四端口柔性PCB电极可以利用紧固件通过各自的四个接线端口固定于所述绝缘支撑管的内壁。
优选地，所述紧固件与所述绝缘支撑管的内壁间的空隙可以填充有密封胶。
优选地，所述径向屏蔽金属壳可以为管状铜皮外壳，其可以通过法兰固定于所述绝缘支撑管的外壁。
优选地，所述绝缘支撑管可以由PVC或亚克力有机玻璃制成。
本发明的有益效果
1.本发明通过四端口电极设计，将电阻层析成像感应器与电容层析成像传感器进行了集成。
2.本发明将微波测量技术和电学层析成像测量技术融合，当使用谐振传感器测量判断当前所测多相流体的含水率小于设定阈值时，切换使用电容层析成像来实现多相流体的横截面的图像重建；当判断当前所测多相流体的含水率大于设定阈值，切换使用电阻层析成像来实现多相流体的横截面的图像重建。
3.本发明根据管道的尺寸和结构，通过计算机仿真得到谐振腔体的最优尺寸参数以及其空载谐振频率，然后再根据谐振频率测量仪器的测量范围(即仪器的工作频率)，由此降低了试验成本，加快了设计周期，优化了传感器的设计。
附图说明
图1是根据本发明的四端口柔性PCB电极的结构示意图。
图2是根据本发明的多模态传感器的结构示意图。
图3是根据本发明的电阻/电容层析成像感应器的截面示意图。
图4是根据本发明的谐振腔感应器的截面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
如图1所示，根据本发明的多模态传感器包括：内部为所测场域的绝缘支撑管3，沿其纵向轴线包括相邻的第一截面和第二截面；设置于第一截面的电阻/电容层析成像感应器1；和设置于第二截面的谐振腔感应器2。
如图2所示，电阻/电容层析成像感应器1包括沿绝缘支撑管3的内壁圆周均布的多个四端口柔性PCB电极10，和固定于绝缘支撑管3的外壁的径向屏蔽金属壳20，各四端口柔性PCB电极10的纵向轴线与绝缘支撑管3的纵向轴线平行。
如图3所示，四端口柔性PCB电极10包括电阻/电容测量电极片、两个相同的轴向屏蔽电极片103和四个接线端口104，其中，轴向屏蔽电极片103对称且不相连地设置于电阻/电容测量电极片的纵向两端，由此使PCB电极10同时具有测量电极和屏蔽电极的功能。电阻/电容测量电极片包括电容测量电极片101和电阻测量电极片102，四个接线端口104分别设置在两个轴向屏蔽电极片103、电容测量电极片101和电阻测量电极片102上。特别地，电容测量电极片101包括矩形金属片，电阻测量电极102包括不相连地嵌于矩形金属片内部的环形金属片。特别地，矩形金属片与轴向屏蔽电极片103等宽，即，四端口柔性PCB电极10整体成矩形。
特别地，各四端口柔性PCB电极10的宽度与相邻四端口柔性PCB电极10之间的间隙的比值为9:1，各所述四端口柔性PCB电极10的宽度为[(d*π)÷n]×0.9,d为绝缘支撑杆3的外径，n为四端口柔性PCB电极10的数量。
特别地，相邻四端口柔性PCB电极10之间的间隙内可以设置有周向屏蔽金属片，以屏蔽PCB电极阵列之间的干扰。
特别地，各四端口柔性PCB电极10可以利用例如螺钉通过各自的四个接线端口104固定于绝缘支撑管3的内壁。优选地，螺钉与绝缘支撑管3的内壁间的空隙填充有密封胶。
特别地，径向屏蔽金属壳20可以为管状铜皮外壳，其可以通过法兰30固定于绝缘支撑管3的外壁。
如图4所示，谐振腔感应器2包括安装于绝缘支撑管3的外壁的谐振腔外壳201以及由谐振腔外壳201和绝缘支撑管3的外壁限定的谐振腔体202。特别地，谐振腔感应器2的最优尺寸参数以及其空载谐振频率可以根据所测场域的各项参数，例如包括谐振频率，品质因数和场分布以及绝缘支撑管3的结构和尺寸，通过计算机仿真得到，具体仿真过程如下：
根据绝缘支撑管3的结构和尺寸，在有限元仿真软件中建立谐振腔感应器2的矩形或圆柱谐振腔体结构；选择不同的谐振模式，得到谐振腔感应器2的谐振频率；利用有限元仿真软件的参数扫描功能，分别分析谐振腔感应器2的各尺寸参数(例如矩形腔体的长、宽和高)对谐振频率的影响，最终确定谐振腔感应器2的最优尺寸参数，并得到其空载谐振频率。
通过谐振腔感应器2的谐振频率可以来推断待测多相流的含水率，然后将其与含水率的设定阈值作对比：当含水率小于设定阈值，则采用电容层析成像来实现多相流的横截面的图像重建；当含水率大于设定阈值，则采用电阻层析成像来实现多相流的横截面的图像重建。
特别地，谐振腔外壳201上设置有50欧同轴屏蔽线接口。
下面通过本发明的多模态传感器的制作过程来更详细地说明本发明，具体包括如下步骤：
1)用游标卡尺量出绝缘支撑管3(例如由PVC或亚克力有机玻璃制成)外径尺寸，然后确定各四端口柔性PCB电极10的宽度和相邻PCB电极间的间隙。例如，绝缘支撑管3为PVC管，其外径尺寸为10cm,PCB电极10的数量为8，PCB电极10与相邻PCB电极10间的空隙比为9:1，PCB电极10的宽度为[(10ⅹπ)÷8]ⅹ0.9(cm)。
2)用柔性PCB板制成例如8个宽度为[(10ⅹπ)÷8]ⅹ0.9(cm)的PCB电极10，然后用螺钉通过接线端口将其沿圆周方向均匀的固定在PVC管的内壁。
3)从各接线端口引出屏蔽线，屏蔽线中的信号线的一端通过将柔性PCB电极10固定到绝缘支撑管3的固定螺钉与电极片(电容测量电极片101、电阻测量电极片102或轴向屏蔽电极片103)连接，一端连接测量电路，屏蔽线中的屏蔽部分接(例如焊接)径向屏蔽金属壳20并接地。
4)接好屏蔽线后，用绝缘固体胶灌入所有固定螺钉与绝缘支撑管3的内壁的空隙处，对管道进行密封。
5)将柔性PCB电极10相邻间的周向屏蔽金属片通过预留在法兰上的空隙固定在两个法兰之间，将径向屏蔽金属壳20(例如铜皮屏蔽外壳)包覆在法兰上，并接地。
6)根据绝缘支撑管的结构和尺寸以及所测场域的各项参数，在有限元仿真软件中建立谐振腔感应器的矩形或圆柱谐振腔体结构；选择不同的谐振模式，得到谐振腔感应器的谐振频率；利用有限元仿真软件的参数扫描功能，分别分析谐振腔感应器的各尺寸参数对谐振频率的影响，最终确定谐振腔感应器的最优尺寸参数，并得到其空载谐振频率。在一些实施例中，对于圆柱谐振模式的选择，常见的有TM010最低次模以及TE111次低次模等谐振模式。在不同模式下，使用HFSS的参数扫描功能，分别分析腔体的长、宽、高和谐振频率及品质因数之间的关系，进一步确定谐振腔感应器的最优尺寸参数。
7)用金属材料制作谐振腔，并将其用绝缘固体胶固定在绝缘支撑管道相邻于电阻/电容层析成像感应器的截面附近。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可进行简单更改或替换，例如：电极材料、内管材料等。
以上仅为本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种四端口柔性PCB电极，其特征在于，包括电阻/电容测量电极片、两个相同的轴向屏蔽电极片和四个接线端口，
所述轴向屏蔽电极片对称且不相连地设置于所述电阻/电容测量电极片的纵向两端，
所述电阻/电容测量电极片包括电容测量电极片和电阻测量电极片，所述四个接线端口分别设置在两个轴向屏蔽电极片、所述电容测量电极片和所述电阻测量电极片上，
所述电容测量电极片包括矩形金属片，所述电阻测量电极包括不相连地嵌于所述矩形金属片内部的环形金属片。
2.一种由根据权利要求1所述的四端口柔性PCB电极构成的多模态传感器，其特征在于，包括：
内部为所测场域的绝缘支撑管，沿其纵向轴线包括相邻的第一截面和第二截面；
设置于所述第一截面的电阻/电容层析成像感应器，所述电阻/电容层析成像感应器包括沿所述绝缘支撑管的内壁圆周均布的多个四端口柔性PCB电极，和固定于所述绝缘支撑管的外壁的径向屏蔽金属壳，各四端口柔性PCB电极的纵向轴线与所述绝缘支撑管的纵向轴线平行；
设置于所述第二截面的谐振腔感应器，所述谐振腔感应器包括安装于所述绝缘支撑管的外壁的谐振腔外壳以及由所述谐振腔外壳和所述绝缘支撑管的外壁限定的谐振腔体。
3.根据权利要求2所述的多模态传感器，其特征在于，所述谐振腔感应器的最优尺寸参数以及其空载谐振频率，根据所测场域的谐振频率、品质因数和场分布以及绝缘支撑管的结构和尺寸，通过计算机仿真得到，具体仿真过程如下：
根据绝缘支撑管的结构和尺寸，在有限元仿真软件中建立谐振腔感应器的矩形或圆柱谐振腔体结构；选择不同的谐振模式，得到谐振腔感应器的谐振频率；利用有限元仿真软件的参数扫描功能，分别分析谐振腔感应器的各尺寸参数对谐振频率的影响，最终确定谐振腔感应器的最优尺寸参数，并得到其空载谐振频率。
4.根据权利要求3所述的多模态传感器，其特征在于，使用HFSS的参数扫描功能，分别分析谐振腔体的长、宽、高和谐振频率及品质因数之间的关系，进一步确定谐振腔感应器的最优尺寸参数。
5.根据权利要求3或4所述的多模态传感器，其特征在于，通过所述谐振腔感应器的谐振频率来推断多相流的含水率，然后与含水率的设定阈值作对比：当含水率小于设定阈值，则采用电容层析成像来实现多相流的横截面的图像重建；当含水率大于设定阈值，则采用电阻层析成像来实现多相流的横截面的图像重建。
6.根据权利要求2-5之一所述的多模态传感器，其特征在于，各所述四端口柔性PCB电极的宽度与相邻四端口柔性PCB电极之间的间隙的比值为9:1，各所述四端口柔性PCB电极的宽度为[(d*π)÷n]×0.9,d为绝缘支撑杆的外径，n为四端口柔性PCB电极的数量。
7.根据权利要求6所述的多模态传感器，其特征在于，相邻四端口柔性PCB电极之间的间隙内设置有周向屏蔽金属片。
8.根据权利要求2-7之一所述的多模态传感器，其特征在于，各四端口柔性PCB电极利用紧固件通过各自的四个接线端口固定于所述绝缘支撑管的内壁。
9.根据权利要求8所述的多模态传感器，其特征在于，所述紧固件与所述绝缘支撑管的内壁间的空隙填充有密封胶。
10.根据权利要求2-9之一所述的多模态传感器，其特征在于，所述径向屏蔽金属壳为管状铜皮外壳，其通过法兰固定于所述绝缘支撑管的外壁，所述绝缘支撑管由PVC或亚克力有机玻璃制成。
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