CN111103332A - 电容层析成像传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电容层析成像传感器，包括柔性电极组件、固定构件、绝缘隔离层以及外屏蔽罩；柔性电极组件包括阵列式电极和柔性载体，阵列式电极沿柔性载体的内周壁固定；固定构件可拆卸地安装在柔性载体的外周壁上以使阵列式电极可拆卸地围合在被测物体的外周壁上以对该被测物体内的流体进行电容测试；绝缘隔离层可拆卸地固定在固定构件的外周壁上；外屏蔽罩可拆卸地固定在绝缘隔离层的外周壁上。本申请提供的电容层析成像传感器可以实现可拆卸地安装，尤其对于现场制作传感器非常方便，提高了测试效率也降低了测试成本；并且对传感器中的每一个部件均可以更换，便于传感器的维护，也降低了使用成本。

Description

电容层析成像传感器及系统

技术领域

本申请涉及一种电容层析成像传感器及系统，属于传感器技术领域。

背景技术

电容层析成像技术简称ECT(electrical capacitance tomography)，是过程层析成像技术的一种，是20世纪80年代后期在医学CT技术基础上形成和发展起来的。它的基本工作原理就是：根据被测物质具有不同介电常数，当测量混合物的组份或浓度发生变化时，引起混合物介电常数的变化，最终导致电容传感器测得的电容值发生变化。然后以测量到的电容值为基础，运用电磁场中的反问题来进行求解，获得封闭管道、容器等工业过程设备内部的介电常数分布，并实现二维/三维的可视化。ECT以其采样速率快、结构简单、成本低廉、安全性好等特点得到了广泛的应用。

现阶段，ECT传感器包括绝缘管道、检测电极和屏蔽罩等部分。绝缘管道套设在检测电极外，屏蔽罩套设在绝缘管道外。检测电极通常布置在测试管道的外壁上，通过测量所有电极对之间的电容值，利用图像重构算法，即可得到管道内物质的阶段常数分布，反映出浓度、湿度、温度等物理量。

然后，传统的ECT传感器的测量电极均为不可拆卸地固定在测试管道的外壁，制作过程非常繁琐，尤其是需要现场安装传感器时往往难以安装；并且不能够重复使用，降低了测试效率也提高了测试成本；而且传感器的各个组件之间均为不可拆卸地固定，所以当其中一个组件损坏时，只能重新制作传感器，费时费力，且不便于更换、维护。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种电容层析成像传感器，可以实现可拆卸地安装，尤其对于现场制作传感器非常方便，提高了测试效率也降低了测试成本；并且对传感器中的每一个部件均可以更换，便于传感器的维护，也降低了使用成本。

本申请提供的电容层析成像传感器，包括柔性电极组件、固定构件、绝缘隔离层以及外屏蔽罩；

所述柔性电极组件包括阵列式电极和柔性载体，所述阵列式电极沿柔性载体的内周壁固定；

所述固定构件可拆卸地安装在所述柔性载体的外周壁上以使所述阵列式电极可拆卸地围合在被测物体的外周壁上以对该被测物体内的流体进行电容测试；

所述绝缘隔离层可拆卸地固定在所述固定构件的外周壁上；

所述外屏蔽罩可拆卸地固定在所述绝缘隔离层的外周壁上。

可选的，还包括多个轴端屏蔽电极，多个所述轴端屏蔽电极沿所述被测物体的周向分别固定在所述柔性电极组件沿所述被测物体轴向的上、下两端，且所述轴端屏蔽电极与外屏蔽罩用导线连接。

可选的，所述的柔性载体为绝缘材料。

可选的，所述固定构件可沿周向开合，开合处的两端为可拆卸连接。

可选的，所述固定构件的开合为卡扣式或法兰式。

可选的，所述固定构件数量至少为两个，沿轴向间隔设置。

可选的，所述阵列式电极的一端固定有信号输出线，其中，所述信号输出线用于将所述阵列式电极测量的电容信号输出。

根据本申请的又一个方面，提供了一种电容层析成像系统，包括信号采集系统、计算机成像显示系统以及上述任一种电容层析成像传感器，所述电容层析成像传感器通过信号输出线与信号采集系统连接，所述信号采集系统与所述计算机成像显示系统连接。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的电容层析成像传感器，该传感器中的每一个部件之间均为可拆卸的固定连接，并且柔性电极组件在测量时也可拆卸地围合在被测物体的外周壁上，因此制作过程非常地方便，尤其对于需要现场安装传感器的情况。

2)本申请所提供的电容层析成像传感器，由于传感器中的每一个部件之间均为可拆卸的固定连接，因此任何一个部件出现损坏时，均可以对其进行更换、维护，降低了传感器的使用成本。

3)本申请所提供的电容层析成像传感器，由于采用柔性载体固定阵列式电极，使传感器易于安装在操作区间较小的物体上。

4)本申请所提供的电容层析成像传感器，可以反复地安装、拆卸，可灵活调整被测区域。

附图说明

图1为本申请一种实施方式中的电容层析成像传感器的结构示意图；

图2为图1中所示的电容层析成像传感器沿A-A方向的横向截面图；

图3为本申请一种实施方式中的柔性电极组件的结构示意图；

图4为本申请一种实施方式中的固定构件的结构示意图。

部件和附图标记列表：

100柔性电极组件； 101阵列式电极； 102柔性载体；

200固定构件； 201第三法兰盘； 202第四法兰盘；

300绝缘隔离层； 400外屏蔽罩； 500轴端屏蔽电极；

501导线； 600信号输出线； 700被测试物体。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

实施例1

图1为本申请一种实施方式中的电容层析成像传感器的结构示意图，图2为图1中所示的电容层析成像传感器沿A-A方向的横向截面图，图3为本申请一种实施方式中的电容层析成像传感器中的柔性电极组件的结构示意图，图4为本申请一种实施方式中的固定构件的结构示意图，下面结合图1～4具体说明本实施例的实现方式。

本申请所提供的电容层析成像传感器，包括柔性电极组件100、固定构件200、绝缘隔离层300以及外屏蔽罩400；

柔性电极组件100包括阵列式电极101和柔性载体102，阵列式电极101沿柔性载体102的内周壁固定；

固定构件200可拆卸地安装在柔性载体102的外周壁上以使阵列式电极101可拆卸地围合在被测物体700的外周壁上以对该被测物体700内的流体进行电容测试；

绝缘隔离层300可拆卸地固定在固定构件200的外周壁上；

外屏蔽罩400可拆卸地固定在绝缘隔离层300的外周壁上。

在本实施例中，电容层析成像传感器中的柔性电极组件、固定构件、绝缘隔离层以及外屏蔽罩之间均为可拆卸地固定，便于传感器的制作过程，尤其对于需要进行现场安装的情况或者对操作空间较小的区域进行安装的情况，而且也可以实现重复使用；由于各个传感器的每个部件之间均为可拆卸的固定连接，因此任何一个部件出现损坏时，均可以对其进行更换、维护，降低了传感器的使用维护成本。

具体的，如图3所述，柔性电极组件100中的阵列式电极101包括多个单电极，单电极沿柔性载体102的内周壁均匀固定且每个单电极之间设有间隙。优选的，单电极为长条状，便于围合成被测物体700外周壁的形状。

柔性载体102为柔性的绝缘材料，例如，可以为柔性硅橡胶、橡胶、乳胶、或柔性稠密织物等。在组装传感器的过程中，柔性载体102可以根据被测物体700的外形而进行围合，例如，当被测物体700为方柱状时，柔性载体102可以沿被测物体700的四个周壁进行围合。柔性载体102的使用，扩大了传感器的使用范围(可以对不同形状的被测物体700进行安装)。

可选的，阵列式电极101粘结在柔性载体102的内壁上。

具体的，绝缘隔离层300可以为绝缘橡胶，或者也可以为能够开合的第一绝缘管。第一绝缘管可以通过卡接实现开合的效果从而可拆卸地固定在固定构件200的外周壁上。

外屏蔽罩400可以为能够开合的金属管。金属管可以通过卡接实现开合的效果从而可拆卸地固定在绝缘隔离层300的外周壁上；当然金属管也可以通过法兰式连接实现可拆卸地固定在绝缘隔离层300的外周壁上。例如，金属管开合处的一端沿轴向向外延伸形成第一法兰盘，另一端也同样地沿轴向向外延伸形成第二法兰盘，第一法兰盘和第二法兰盘相配适，通过设置法兰盘实现了金属管的开合效果。

在一个示例中，当绝缘隔离层300为绝缘橡胶时，首先将绝缘橡胶覆盖在固定构件200的外周壁上，然后在绝缘橡胶的外周面上安装金属管，金属管开合处的两端通过法兰盘加紧连接从而使得绝缘橡胶固定在固定构件200的外周壁上。

可选的，还包括多个轴端屏蔽电极500，多个轴端屏蔽电极500沿被测物体700的周向分别固定在柔性电极组件100沿被测物体700轴向的上、下两端，且轴端屏蔽电极500与外屏蔽罩400用导线501连接。

具体的，如图1所示，轴端屏蔽电极500可以为2个，一个固定在柔性电极组件100的上端，另一个固定在柔性电极组件100的下端。轴端屏蔽电极500位于绝缘隔离层300的内。

可选的，固定构件200可沿周向开合，固定构件200的开合处的两端为可拆卸连接。在本申请中，通过固定构件200实现了将柔性电极组件100可拆卸地固定在被测物体的外周壁上。

可选的，固定构件200的开合可为卡扣式或法兰式。

在一个具体的示例中，固定构件200的开合处的一端设置卡扣，另一端设置卡槽。通过卡接实现了固定构件200的开合效果，即当卡扣和卡槽脱离时，固定构件200处于开合状态，此时可以将固定构件200安装在柔性载体102的外周壁上，固定构件200套设在柔性载体并调整好位置后将卡扣和卡槽扣合以使柔性电极组件100贴合在被测物体700的外周壁上。

在另外一个具体的示例中，固定构件200的开合处为法兰式连接。具体的，如图4所示，固定构件200开合处的一端沿径向向外延伸形成第三法兰盘201，固定构件200开合处的另一端沿径向向外延伸形成第四法兰盘202，第三法兰盘201和第四法兰盘202相配适，通过设置法兰盘实现了固定构件200的开合效果。

可选的，固定构件200数量为至少两个，沿轴向间隔设置。具体的，多个固定构件200沿轴向均匀间隔设置在柔性电极组件100的外周面上，固定构件200的个数可以为2个，或者也可以为3个。

当然，在本申请中的第一绝缘管、固定构件200可以具有一定的塑性，可以使其更方便地安装在固定构件200或柔性电极组件100的外周面上。

可选的，固定构件200为至少一条沿轴向间隔设置的柔性绝缘带，每个柔性绝缘带的连接处可拆卸连接。

具体的，柔性绝缘带可以为2条，或者也可以为3条。柔性绝缘带沿轴向均匀间隔设置。柔性绝缘带的开合处可以粘贴魔术贴以实现绝缘带的开合效果。当柔性绝缘带两端的魔术贴合在一起时，即可将柔性电极组件100紧密地贴合在被测物体700的外周壁上。

可选的，固定构件200为至少一条沿轴向间隔设置的弹性绝缘圈。因为绝缘圈具有弹性，当把绝缘圈套设在柔性电极组件100的外周壁上时，绝缘圈缩紧即可将柔性电极组件100贴合在被测物体700的外周壁上。

优选的，弹性绝缘圈为多个，从而实现更好的贴合效果。

优选的，弹性绝缘圈为弹性橡胶圈。

可选的，阵列式电极101的一端固定有图1所示的信号输出线600，其中，信号输出线600用于将阵列式电极101测量的电容信号输出。

具体的，如图2所示，信号输出线600的数量与阵列式电极101中的单电极的数量一致，且信号输出线600与单电极一一连接。

实施例2

下面介绍本申请所提供的电容层析成像传感器的制作过程。

在本实施例中，将阵列式电极101以固定间隔且均匀粘贴在柔性载体102上，阵列式电极101的单电极之间不接触。将柔性载体102缠绕在被测物体700的外表面，使阵列分布电极101与被测物体700的表面贴合，并均匀分布于被测区域周围。将轴端屏蔽电极500固定于阵列式电极101轴向上下两端的被测物体700的表面，利用固定构件200将柔性载体102和阵列式电极101一同固定在被测物体700的外表面，防止测量过程中阵列式电极101移动。柔性载体102和固定构件200外侧包覆绝缘隔离层300，最外层覆盖外屏蔽罩400。轴端屏蔽电极500和外屏蔽罩400由导线501连接。

柔性载体102为绝缘的柔性材料，其尺寸根据被测物体700的尺寸决定，其长度要大于被测物体700的周长，使被测物体700的被测区域被完全包裹；其宽度大于阵列式电极101的长度，使阵列式电极101被完全覆盖。

在本申请提供的电容层析成像传感器中，柔性电极组件100中包括N个单电极，根据使用的ECT和被测物体700周长的需要，N可以为4、8、12、16、24或者32中任意一个数。

实施例3

本实施例提供了一种电容层析成像系统，包括信号采集系统、计算机成像显示系统以及上述任一种电容层析成像传感器，电容层析成像传感器通过信号输出线600与信号采集系统连接，所述信号采集系统与所述计算机成像显示系统连接。

在本申请中，信号传输线600将阵列式电极101检测到的电极信号传输到信号采集系统中，再通过信号采集系统中的数据采集卡传输到计算机成像显示系统中完成图像重建。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (8)

1.一种电容层析成像传感器，其特征在于，包括柔性电极组件、固定构件、绝缘隔离层以及外屏蔽罩；

所述柔性电极组件包括阵列式电极和柔性载体，所述阵列式电极沿柔性载体的内周壁固定；

所述固定构件可拆卸地安装在所述柔性载体的外周壁上以使所述阵列式电极可拆卸地围合在被测物体的外周壁上以对该被测物体内的流体进行电容测试；

所述绝缘隔离层可拆卸地固定在所述固定构件的外周壁上；

所述外屏蔽罩可拆卸地固定在所述绝缘隔离层的外周壁上。

2.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，还包括多个轴端屏蔽电极，所述多个轴端屏蔽电极沿所述被测物体的周向分别固定在所述柔性电极组件沿所述被测物体轴向的上、下两端，且所述轴端屏蔽电极与外屏蔽罩用导线连接。

3.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述的柔性载体为绝缘材料。

4.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述固定构件可沿周向开合，开合处的两端为可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述固定构件的开合为卡扣式或法兰式。

6.根据权利要求4所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述固定构件数量至少为两个，且沿轴向间隔设置。

7.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述阵列式电极的一端固定有信号输出线，其中，所述信号输出线用于将所述阵列式电极测量的电容信号输出。

8.一种电容层析成像系统，其特征在于，包括信号采集系统、计算机成像显示系统以及权利要求1～7中任一项所述的电容层析成像传感器，所述电容层析成像传感器通过信号输出线与信号采集系统连接，所述信号采集系统与所述计算机成像显示系统连接。

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