專利名稱：一種方形電容層析成象傳感器的制作方法
技術領域：
本設計屬于一種傳感器，具體地說涉及一種為電容層析成象(Electrical Capacitance Tomography，簡稱ECT)系統的方形電容層析成象傳感器(Rectangular Sensor)。
在本設計以前，所用的電容層析成象傳感器均是圓形的，而在實際應用中應經常會遇到方形測量區域，比如循環流化床，對于圓形傳感器來說，則無法進行測量。
為實現上述目的，本設計提供的一種方形電容層析成象傳感包括有一方形框架上平貼設置有測量電極、隔離電極及端屏蔽，且有一方形屏蔽框將方形框架與傳感器所有電極包圍于內；各測量電極之間均由隔離電極隔離開，且各測量電極與各隔離電極之間有一間隔。
方形框架測量區域外側表面均等分地平貼設置有外置測量電極。
方形框架測量區域中間位置設置有內置測量電極，該內置測量電極呈方形結構或十字形結構。
方形內置測量電極均等分地平貼設置于內置框架的內側面，內置屏蔽框位于內置框架的內部，且小于內置框架。
十字形內置測量電極夾設于內置框架中。
各測量電極寬度值為每一測量區域側表面寬度被該側面電極數加1而均分的一等分值；位于四個角上的隔離電極其寬度與其它隔離電極寬度比例為2∶1。
測量電極可以是8電極、12電極或16電極。
隔離電極與端屏蔽連接為一體，且通過導線與屏蔽框連接。
測量電極的序號安排與敏感場的計算一致，為從靠近任意一個角點的電極開始，按順時針或逆時針順序編號。
本設計電場計算公式為拉普拉斯方程 ε為介質的介電常數。
離散計算的邊界條件為當電極作為激勵電極時，其邊界設為激勵電壓值，其余電極電壓為0。對各電極進行檢測方式與圓形傳感器類似，相鄰電極的增益為低增益，其余為高增益。實驗測量時，首先第一號電極作為激勵源，其余為檢測電極，以12電極傳感器為例，檢測出11個電容，然后第二號電極作為激勵，檢測10個電容值，按照這樣的方式，共檢測出C122=12×(12-1)2=66]]>個電容值。激勵與檢測通過計算機將控制信號送入采集電路，進而控制傳感器電極的激勵與檢測狀態。
本設計主要由測量電極、隔離電極、端屏蔽和屏蔽框組成，測量電極和隔離電極的寬度和長度沒有嚴格限定，可視需要根據傳感器的長度而定，選取方法如下測量電極和隔離電極長度等于方形測量區域的寬度70％至100％，各測量電極寬度值為每一測量區域側表面寬度被該側面電極數加1而均分的一等分值，以數學公式表示，則為w=Lm/4+1]]>
式中，w為每一個測量電極的寬度，L為測量區域寬度，m為測量電極總數，測量電極寬度與每一等分相等，隔離電極寬度可取測量電極的十分之一。端屏蔽理論長度要大于電極長度。對于不同的傳感器，電勢分布和敏感場的分布要單獨計算得出。在制作過程中，隔離電極與端屏蔽有機地連接為一整體，同外部的屏蔽框通過導線連接起來，與電極完全隔離開。信號線的一端與電極連接，另一端與端屏蔽連接，采集到的信號通過控制電路傳入計算機，至于將采集到的信號傳入計算機是已知技術的范疇，本設計在此不作描述。
為增強測量區域信號強度，加強測量區域的敏感度，本設計還可以在測量區域中心部位，激勵電壓影響很弱的部位設置測量電極，為敘述上的方便，故稱測量區域外側表面設置的測量電極為外置測量電極，測量區域內設置的測量電極稱為內置測量電，內置電極根據具體的測量實例可以選取十字交叉結構和方形結構兩種形式。
內置測量電極為方形結構時，方形內置測量電極屏蔽框設置于框架內部，且小于框架；而十字形內置測測量電極不設置屏蔽框。
圖8b為圖8a沿b-b向局部剖視圖，顯示內置電極夾設于內置框架中結構；圖9為本設計的使用流程示意圖。
各測量電極2與隔離電極3的長度均沒有嚴格限定，可視需要根據傳感器的長度而定，本實施例中傳感器的長度為140mm，測量區域的每個表面寬度也為140mm，各測量電極與各隔離電極的長度可設置為100mm；各測量電極2的寬度值為每一測量區域側表面寬度被該側面電極數加1而均分的一等分值，以數學公式w=Lm/4+1]]>計算，式中，w為每一個測量電極的寬度，L為測量區域寬度，m為測量電極總數，以此，各測量電極2的寬度為28mm，各測量電極2與各隔離電極3之間有一間隔，本實施例中這一間隔為1.0mm，隔離電極3的寬度為4.0mm，位于四個角上的隔離電極4寬度與其它隔離電極4寬度的比例為2∶1，本實施例中位于四個角上的隔離電極寬度為8.0mm，隔離電極3與端屏蔽4連為一體，通過導線(圖中未示)與屏蔽框5連接，屏蔽框5從圖3中可以看出，位于框架1的外部，將方形框架1與傳感器所有電極包圍于內。
驅動護極6平貼設置在測量框架1表面、測量電極2的上、下位置，該驅動護極6用于改善測量區域電勢分布的均勻特性，也可以不設置該驅動護極，圖2所示為不設置驅動護極6的16電極方形傳感器側視圖。
測量電極2的序號安排與敏感場的計算一致，為從靠近任意一個角點的電極開始，按順時針或逆時針順序編號，參看圖4和圖5，這兩幅圖顯示的是從右上角開始，按順時針方向順序編號，圖6顯示的是從右下角開始，按逆時針方向順序編號。
本設計制作的方形電容層析成象傳感器外觀如圖3所示，該圖為本設計不設置驅動護極6的12電極方形傳感器立體視圖，其框架1的每個表面設有3個測量電極2。
本設計制作的測量電極2、隔離電極3、端屏蔽4、屏蔽框5、驅動護極6等均為導電材料制作，本實施例采用的是銅箔。
實施例2、請參閱圖7，圖7為本設計具有方形結構內置測量電極的16電極方形傳感器俯視圖，內置測量電極2’共有4個電極，設置于傳感器測量區域中間部位，為方形結構地平貼設置于內置框架1’內側面，內置屏蔽框5’設置于內置框架1’內部，且小于內置框架1’，其余12個測量電極2均等分地平貼設置在方形框架1測量區域外側的四個表面，每個表面有3個測量電極2，其序號從左下角開始，按逆時針方向順序編號。本實施例2其余操作同實施例1。
實施例3、請參閱圖8a，圖8a為本設計具有十字形結構內置測量電極的16電極方形傳感器俯視圖，內置測量電極2”為十字交叉結構，設置于傳感器測量區域中間部位并由隔離電極3”隔離開，該內置測量電極2”夾設于內置框架1”中，如圖8b所示，其余12個測量電極2均等分地平貼設置在方形框架1測量區域外側的四個表面，每個表面有3個測量電極2，其序號從左下角開始，按逆時針方向順序編號。本實施例2其余操作同實施例1。
下面再給出傳感器的測量實施例，用以說明本設計與背景技術相比所具有的有益的效果請參閱圖9，圖9為ECT測量系統，其中虛線內為傳感器，采集電路得到的數據通過PCI卡，送入計算機進行數據和圖像處理；表1是三個靜物成象的典型測量例子；表2是循環流化床內底部的固體濃度和氣泡分布；表3是循環流化床上升段的環-核固體氣體濃度分布。
1、靜物成象在傳感器內設置物體，物體位置保持不變，由傳感器和電子采集系統測量并通過軟件成象，其中(a)三個圓柱；(b)平鋪的顆粒層與其上方安置的圓柱；(c)對角鋪設的顆粒層與中央安置的圓柱。
從表1中可以看出，成象的結果十分接近物體的原本分布。
2、循環流化床內底部的固體濃度和氣泡分布循環流化床內的固體做急速運動，表2顯示了固體顆粒和氣體氣泡的分布。其中黑色為氣體，白色為固體。
3、循環流化床上升段的環-核固體氣體濃度分布在表3中可以看到，固體的分布主要集中于周邊一圈。 表1 表2 表權利要求1.一種方形電容層析成象傳感器，其特征在于一方形框架上平貼設置有測量電極、隔離電極及端屏蔽，且有一方形屏蔽框將方形框架與傳感器所有電極包圍于內；各測量電極之間均由隔離電極隔離開，且各測量電極與各隔離電極之間有一間隔。
2.根據權利要求1所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，方形框架測量區域外側表面均等分地平貼設置有外置測量電極。
3.根據權利要求1所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，方形框架測量區域中間位置設置有內置測量電極，該內置測量電極呈方形結構或十字形結構。
4.根據權利要求3所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，方形內置測量電極均等分地平貼設置于內置框架的內側面，內置屏蔽框位于內置框架的內部，且小于內置框架。
5.根據權利要求3所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，十字形內置測量電極夾設于內置框架中。
6.根據權利要求1、3、4或所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，各測量電極寬度值為每一測量區域側表面寬度被該側面電極數加1而均分的一等分值；
7.根據權利要求1所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，所述的位于四個角上的隔離電極其寬度與其它隔離電極寬度比例為2∶1。
8.根據權利要求1、3、4或5所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，所述的測量電極可以是8電極、12電極或16電極。
9.根據權利要求1或4所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，所述的隔離電極與端屏蔽連接為一體，且通過導線與屏蔽框連接。
10.根據權利要求1所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，所述的測量電極的序號安排與敏感場的計算一致，為從靠近任意一個角點的電極開始，按順時針或逆時針順序編號。
專利摘要本設計提供的一種電容層析成象傳感器,包括由框架、外置測量電極、內置測量電極、隔離電極、驅動護極、端屏蔽和屏蔽框組成,隔離電極、端屏蔽與屏蔽框連接成一體,測量電極平貼在方形框架表面,設置在測量區域框架外部;隔離電極設置在測量電極之間,其設置方向與測量電極垂直,位于四個角上的隔離電極大于其它隔離電極,且與屏蔽框直接連接;屏蔽框將傳感器所有電極包圍于內。該方形傳感器可以很方便地使用在方形測量區域。
文檔編號G01D5/12GK2492836SQ0122990
公開日2002年5月22日 申請日期2001年7月6日 優先權日2001年7月6日
發明者劉石, 楊五強, 王海剛, 姜凡 申請人:中國科學院工程熱物理研究所