CN209624459U - 一种电容层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电容层析成像技术领域，具体涉及一种电容层析成像系统，电容传感器包括支撑管以及设置在支撑管外围的电极和屏蔽层一体化结构，电极和屏蔽层一体化结构由五层介质依次层叠而成，由内到外依次为：内覆盖膜、电极片、绝缘层、屏蔽层和外覆盖膜；外覆盖膜上设有射频接头，射频接头的数量与电极片的数量相同，且一一对应，每个电极片通过导线与其对应的射频接头相连接，数据测量处理模块位于外覆盖膜之外，其与电极片连接，获取电极片的电容信息并进行处理，然后传送给计算机。本实用新型提出的电容层析成像系统，其优化了电极片、屏蔽层的结构，提高了电容传感器屏蔽层的屏蔽效果，提高了检测精度。

Description

一种电容层析成像系统

技术领域

本实用新型属于电容层析成像技术领域，具体涉及一种电容层析成像系统。

背景技术

过程层析成像(Process Tomography，PT)是近年来新出现的新型工业过程测量技术，可对空间物质分布进行测量，例如化工、动力、冶金、食品等工业中的两相流/多相流，输油管道、蒸发换热器中的气液两相流，石油开采管道内的气－液－固多相流等。过程层析成像的感应机理(电、磁、声、光、热...)非常广泛，为非嵌入测量方式，能快速地展示物质的空间分布，它正在成为物质分布检测的有力工具。电容层析成像(Electrical CapacitanceTomography,ECT)技术是过程层析成像技术的一种。

电容层析成像主要利用不同物质具有不同介电常数这一特性，通过检测待测区域中物质的介电常数分布，从而获得待测区域截面的物质分布状况，适合于对各种非导电体组成的混合物进行测量，具有结构简单、价格便宜、无辐射危害、易实现、动态响应速度快的特点。

要实现电容层析成像，主要需要3个部分配合使用，分别为电容传感器、数据测量处理电路模块和图像重建算法。首先通过电容传感器和数据测量处理电路模块得到待测区域的电容分布信息，然后利用图像重建算法得出待测区域内的介电常数分布并在计算机上显示出来，从而得到待测区域物质分布的截面图像。

现有的电容层析成像系统主要包括3个部分：电容传感器、测量及数据采集、计算机图像重建。电容传感器获取被测物场分布状况的投影信息，测量及数据采集单元收集传感器所获得的信息，并传送至计算机，计算机根据一定的算法重建出场域分布图像。

现有的电容层析成像系统和数据测量处理模块有以下缺点：

1)电极阵列摆放不够精准。现有ECT传感器由于加工工艺不成熟会导致的电极尺寸、电极间距的差异会极大的影响各传感器之间的一致性以及传感器自身各电极之间测量值的不一致性，从而对测量结果的可靠性产生负面影响；

2)屏蔽效果不一致。屏蔽层的存在是为了消除电极和外界的电磁干扰，但是电极与接地屏蔽层之间的电容是天然存在的，如果屏蔽层与电极之间的距离不能保持稳定的一致，则该部分电容会直接影响传感器的出厂测量值，只能通过繁复的标定才能实现一定程度的修正；

3)电极与传输线的连接处不稳定。现有传感器与传输线的连接，一般是手工焊接到电极上，焊接效果差异大，易脱落、拆装复杂，在传输线脱焊时也不易补救；

4)模拟信号传输距离长。用于电容测量的激励信号和接收信号均是模拟信号，该信号通过一定长度的屏蔽线的传输到数据采集设备，信号易衰减，同时引入杂散电容，加之被测物的电容变化信号本就微弱，因此电路采集到的信号微弱，处理难度大；

5)数据测量处理模块复杂。由于模拟信号传输距离长，中间环节越多，引入的噪声越多，从而导致信号处理必须进行更多的滤波和信号提取，成本升高。

实用新型内容

为解决上述背景技术中存在的问题，本实用新型提出一种电容层析成像系统，其优化了电极片、屏蔽层的结构，确保电容传感器各片电极间距、屏蔽层与电极间距、屏蔽层尺寸等参数一致，提高了电容传感器屏蔽层的屏蔽效果，提高了检测精度。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种电容层析成像系统，包括电容传感器、数据测量处理模块和计算机，其特殊之处在于：

电容传感器包括支撑管以及设置在支撑管外围的电极和屏蔽层一体化结构，所述电极和屏蔽层一体化结构由五层介质依次层叠而成，由内到外依次为：内覆盖膜、电极片、绝缘层、屏蔽层和外覆盖膜；

所述电极片的数量为多个，多个电极片在内覆盖膜上圆周均布；

所述外覆盖膜上设有射频接头，射频接头的数量与电极片的数量相同，且一一对应，每个电极片通过导线与其对应的射频接头相连接，

数据测量处理模块位于外覆盖膜之外，其与电极片连接，获取电极片的电容信息并进行处理，然后传送给计算机。

进一步地，上述数据测量处理模块包括DDS信号发生模块、C/V转换模块、ADC模块和FPGA板卡；

所述DDS信号发生模块产生信号用于激励某一片电极，所述C/V转换模块连接另一片电极用于测量两电极间的电容信号，并转化为模拟电压信号；

所述ADC模块用于将模拟电压信号转化为数字电压信号，然后将信号传到FPGA板卡；

所述FPGA板卡控制DDS信号发生模块和ADC模块。

进一步地，上述射频接头为IPX接头、SMA接头或者SMB接头。

进一步地，上述支撑管的内径为52mm，外径为62mm。

进一步地，上述电极片的数量为8个，电极片长度均为78mm，相邻两个电极片之间间距为16mm。

进一步地，上述内覆盖膜、绝缘层和外覆盖膜均为聚酰亚胺材质制成。

进一步地，上述支撑管采用绝缘材质制成。

进一步地，上述电极片和屏蔽层均为金属材质制成。

进一步地，上述电极片和屏蔽层均为铜箔；上述支撑管采用PEEK或亚克力材料制成。

另外，本实用新型还公开了一种上述电容层析成像系统中电容传感器的制作方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)提供支撑管；

2)制作电极和屏蔽层一体化结构：

2.1)提供绝缘层和屏蔽层，将二者粘合在一起后，加工多个过孔；

2.2)将多个电极片分别固定在绝缘层上；

2.3)提供外覆盖膜，在外覆盖膜上设置多个射频接头；

2.4)每个电极片连接导线，将导线穿过其对应的过孔后，分别与其对应的射频接头连接；

2.5)将绝缘层焊接到所述射频接头的接地通道上；

2.6)在电极片上设置内覆盖膜；

3)将步骤2制作的电极和屏蔽层一体化结构绕在所述支撑管的外圆周上并进行固定。

本实用新型的优点：

1、传统的电容传感器，是在支撑管圆周定位电极片及屏蔽层，其定位精度低、制作难度大，严重影响其测量精度，本实用新型中的电容传感器，其金属电极和屏蔽层采用一体化结构，采用柔性印制电路板(FPC)工艺制作，有效控制各个参数，提高传感器一致性，相比于传统的电容传感器制作方法，具有加工精度高、加工难度小的优点，极大地降低人工和材料成本，减少加工时间，工艺流程具有良好的一致性和可重复性；

2、本实用新型提出一种电容层析成像系统，柔性PCB作为电极，均匀分布在管道外层，各电极输出的信号质量更好，能更好的检测管道内部的物质信号变化；

3、本实用新型提出一种电容层析成像系统，在信号传输前转换成数字信号，然后使用数字信号通信，数字信号通信相比模拟信号的通信更稳定，更可靠；

4、本实用新型提出一种电容层析成像系统，采用铜电极片，大大降低了传感器的制作成本；

5、本实用新型提出一种电容层析成像系统，结构简单，体积小，很适合应用到石油化工行业。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的电容传感器和数据采集处理电路模块信号传输流程图；

图3为本实用新型电极和屏蔽层一体化结构的分解图。

其中，1-支撑管；2-内覆盖膜；3-电极片；4-绝缘层；5-屏蔽层；6-外覆盖膜；7-射频接头；8-数据测量处理模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1、图2，一种电容层析成像系统，包括电容传感器、数据测量处理模块8和计算机。

电容传感器包括支撑管1以及设置在支撑管1外围的电极和屏蔽层一体化结构，所述电极和屏蔽层一体化结构由五层介质依次层叠而成(参见图3)，由内到外依次为：内覆盖膜2、电极片3、绝缘层4、屏蔽层5和外覆盖膜6，内覆盖膜2、电极片3、绝缘层4、屏蔽层5和外覆盖膜6合在形成柔性PCB作为电极；所述电极片3的数量为多个，多个电极片3在内覆盖膜2上圆周均布。绝缘层4为柔性介质，内覆盖膜2和外覆盖膜6用于固定内部PCB走线。

所述内覆盖膜2、绝缘层4和外覆盖膜6均为聚酰亚胺材质制成。所述电极片3和屏蔽层5均为金属材质制成，电极片3和屏蔽层5优选铜箔等导电良好的金属；支撑管1采用PEEK、亚克力等绝缘材料制成，用高精度机床加工而成。

所述外覆盖膜6上设有射频接头7，射频接头7的数量与电极片3的数量相同，且一一对应，每个电极片3通过导线与其对应的射频接头7相连接。所述射频接头7为IPX接头、SMA接头或者SMB接头。

数据测量处理模块8位于外覆盖膜6之外，其与电极片3连接，获取电极片3的电容信息并进行处理，然后传送给计算机。数据测量处理电路模块通过非常短的屏蔽线连接电容传感器，并通过胶粘等方式和传感器固定在一起，最后将处理好的数字信号类型的电容值传到计算机上，利用图像重建算法进行分析。

所述数据测量处理模块8包括DDS信号发生模块、C/V转换模块、ADC模块和FPGA板卡。所述DDS信号发生模块产生正弦波信号用于激励某一电极片3，DDS模块产生的信号频率为100kHz，所述C/V转换模块用于测量两电极间的电容信号，并转化为模拟电压信号；所述ADC模块用于将模拟电压信号转化为数字电压信号，然后将信号传到FPGA板卡，所述FPGA板卡控制DDS信号发生模块和ADC模块。

参见图2，以电极1和电极2为例，说明一下数据测量处理模块的具体实施方案：由FPGA发出控制信号给DDS-1模块，DDS-1模块产生100kHz频率的电磁波信号，通过屏蔽线传输到电极1，同时控制DDS-2模块不工作，使电极2接地，然后通过C/V转换电路测量电极1和电极2之间的电容值并转换成电压值，再通过控制ADC模块将模拟电压信号转化为数字电压信号并传到FPGA上进行处理，其他电极间电容值测量同理可得，N片电极组合能测出N*(N-1)/2个电容值，8个电极片的电容传感器能够得到28个检测电容值。

优选地，本实用新型中所述支撑管1的内径为52mm，外径为62mm。

优选地，本实用新型中所述电极片3的数量为8个，电极片3长度均为78mm，相邻两个电极片3之间间距为16mm。

一种电容层析成像系统中电容传感器的制作方法，参见图3，包括以下步骤：

1)提供支撑管1；

2)制作电极和屏蔽层一体化结构

2.1)提供绝缘层4和屏蔽层5，将二者粘合在一起后，加工多个过孔；

2.2)将多个电极片3分别固定在绝缘层4上；

2.3)提供外覆盖膜6，在外覆盖膜6上设置多个射频接头7；

2.4)每个电极片3连接导线，将导线穿过其对应的过孔后，分别与其对应的射频接头7连接；

2.5)将绝缘层4焊接到所述射频接头7的接地通道上；

2.6)在电极片3上设置内覆盖膜2；

3)将步骤2)制作的电极和屏蔽层一体化结构绕在所述支撑管1的外圆周上并进行固定。此工艺流程焊接流程少、操作简单、精确度高，极大地方便安装拆卸。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的传感器领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种电容层析成像系统，包括电容传感器、数据测量处理模块(8)和计算机，其特征在于：

电容传感器包括支撑管(1)以及设置在支撑管(1)外围的电极和屏蔽层一体化结构，所述电极和屏蔽层一体化结构由五层介质依次层叠而成，由内到外依次为：内覆盖膜(2)、电极片(3)、绝缘层(4)、屏蔽层(5)和外覆盖膜(6)；

所述电极片(3)的数量为多个，多个电极片(3)在内覆盖膜(2)上圆周均布；

所述外覆盖膜(6)上设有射频接头(7)，射频接头(7)的数量与电极片(3)的数量相同，且一一对应，每个电极片(3)通过导线与其对应的射频接头(7)相连接；

数据测量处理模块(8)位于外覆盖膜(6)之外，其与电极片(3)连接，获取电极片(3)的电容信息并进行处理，然后传送给计算机。

2.根据权利要求1所述的一种电容层析成像系统，其特征在于：所述数据测量处理模块(8)包括DDS信号发生模块、C/V转换模块、ADC模块和FPGA板卡，

所述DDS信号发生模块产生信号用于激励电极片(3)，所述C/V转换模块用于测量两电极间的电容信号，并转化为模拟电压信号；

所述ADC模块用于将模拟电压信号转化为数字电压信号，然后将信号传到FPGA板卡；

所述FPGA板卡控制DDS信号发生模块和ADC模块。

3.根据权利要求2所述的一种电容层析成像系统，其特征在于：所述射频接头(7)为IPX接头、SMA接头或者SMB接头。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种电容层析成像系统，其特征在于：所述支撑管(1)的内径为52mm，外径为62mm。

5.根据权利要求4所述的一种电容层析成像系统，其特征在于：所述电极片(3)的数量为8个，电极片(3)长度均为78mm，相邻两个电极片(3)之间间距为16mm。

6.根据权利要求5所述的一种电容层析成像系统，其特征在于：所述内覆盖膜(2)、绝缘层(4)和外覆盖膜(6)均为聚酰亚胺材质制成。

7.根据权利要求6所述的一种电容层析成像系统，其特征在于：所述支撑管(1)采用绝缘材质制成。

8.根据权利要求7所述的一种电容层析成像系统，其特征在于：所述电极片(3)和屏蔽层(5)均为金属材质制成。

9.根据权利要求7所述的一种电容层析成像系统，其特征在于：所述电极片(3)和屏蔽层(5)均为铜箔；支撑管(1)采用PEEK或亚克力材料制成。