具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明采用提供一種具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器，該傳感器的主體結構部分是由兩層可自由旋轉的外層旋轉管、內層旋轉管圓形管構成，在外層旋轉管外周設有屏蔽電極，在所述主體的底部設置有一固定臺；電容測量部分包含有電壓激勵信號源、電容測量電路形成的電容測量系統及儀器地；內層旋轉管的內壁上至少粘附一個激勵電極，所述外層旋轉管的內壁上至少粘附一個測量電極，并粘附保護電極。本發明的效果是采用該結構的傳感器內、外兩層旋轉管以管道中心為軸自由旋轉，從而使附著于旋轉管壁上的檢測電極可對傳感器的敏感區域連續掃描，可從任意角度測量激勵電極、測量電極之間的電容值，可用電容測量數據的數目可比原有傳感器增加10倍乃至100倍以上。
【專利說明】具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種過程成像裝置，特別是一種具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器。
【背景技術】
[0002]電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography, ECT)系統依賴布置于被測場域邊界的陣列電極獲取一系列的電容測量值，并利用電容測量值與被測場域內介質分布之間的關系進行圖像的重建，得到被測場域內介質分布圖像。傳感器是ECT系統信息的源泉。通常ECT傳感器的陣列電極為固定式，即電極個數固定，多為8，12個，尺寸固定，位置不可移動、不可旋轉；且實施電容測量時，I個激勵電極與I個測量電極以1+1的形式出現。這種情況下，有效的電容測量值極為有限，為n(n-l)/2，其中η為電極個數。由于電極個數不多于12，有效的測量數僅為66個。雖然增加電極個數η可增加有效測量數，但勢必以減小電極寬度為代價，隨之而來的是被測電容的降低，從而對測量系統提出更高的精度要求，使硬件成本大幅提高。有鑒于此，研究人員提出一些解決方法。其一，增加電極個數的同時采取多電極并聯激勵、并聯測量的方法，使測量電容不致顯著降低，并增加有效的測量數。
[0003]清華大學彭黎輝教授等人設計的36電極ECT傳感器，就是采取這種策略。其二，對已有ECT傳感器改造，增加機械旋轉機構，從不同角度獲取多組電容測量值，同樣可增加有效測量數。如波蘭Lodz大學設計的旋轉式4電極ECT傳感器。但是，與其他成像技術相比，ECT的有效測量數還是偏少，影響其成像質量的進一步提高。通常，ECT傳感器采用的固定式電極結構，其角度、位置固定，而使有效測量數據受到很大限制。一直以來，成像分辨率低是ECT難于得到大規模推廣的根本原因。
[0004]現有ECT采用固定式傳感器，傳感器電極數目多為8、12、16個，其能提供的測量數據非常有限，而導致ECT提供的重建圖像分辨率不同。因而，設計能夠獲取更多有效測量數據的傳感器關乎ECT技術進一步的發展和推廣應用，是目前亟待解決的一項技術難題。
【發明內容】
[0005]針對上述技術中存在的不足，本發明的目的是提供一種具有雙層旋轉電極的ECT傳感器，利用兩層可自由旋轉的旋轉部件，使ECT檢測電極可對被測場域實施多角度的激勵、測量，從而達到增加有效測量數據、提高ECT圖像分辨率的效果。
[0006]為實現上述目的，本發明采用的技術方案是提供一種具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器，該傳感器包括有主體結構部分及電容測量部分，其特征是:所述主體結構部分是由兩層可自由旋轉的圓形管構成，即兩層之間存有一定間隙的外層旋轉管、內層旋轉管，在所述外層旋轉管外周設有屏蔽電極，在所述主體的底部設置有一固定臺；所述電容測量部分包含有電壓激勵信號源、電容測量電路形成的電容測量系統及儀器地；
[0007]所述內層旋轉管的內壁上至少粘附一個激勵電極，所述外層旋轉管的內壁上至少粘附一個測量電極，并粘附保護電極；電容測量系統工作時，激勵電極與電壓激勵信號源相連；測量電極與電容測量電路相連，處于虛地電位狀態；保護電極與屏蔽電極與儀器地相連，處于地電位。
[0008]本發明的效果是采用該結構的傳感器內、外兩層旋轉管以管道中心為軸自由旋轉，從而使附著于旋轉管壁上的檢測電極可對傳感器的敏感區域連續掃描，可從任意角度測量激勵電極、測量電極之間的電容值。該結構的傳感器一、可用電容測量數據的數目可比原有傳感器增加10倍乃至100倍以上；二、電極個數較原有傳感器減少，從而使電容測量系統得以簡化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明的雙層旋轉電極傳感器的整體結構正面剖視圖；
[0010]圖2是本發明的雙層旋轉電極傳感器的整體結構俯視圖；
[0011]圖3是本發明的內層旋轉管內壁電極布置圖；
[0012]圖4是本發明的外層旋轉管展開內壁電極布置圖；
[0013]圖5是本發明的外層旋轉管外壁電極布置圖；
[0014]圖6是本發明的電極連接關系圖。
[0015]圖中:
[0016]1、外層旋轉管 2、內層旋轉管 3、固定臺4、激勵電極
[0017]5、保護電極6、測量電極7、屏蔽電極8、電壓激勵信號源
[0018]9、電容測量電路 10、電容測量系統11、儀器地
【具體實施方式】
[0019]結合附圖及實施例對本發明的具有雙層旋轉電極的ECT傳感器結構加以說明。
[0020]本發明的具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器，該傳感器包括有主體結構部分及電容測量部分，所述主體結構部分是由兩層可自由旋轉的圓形管構成，即兩層之間存有一定間隙的外層旋轉管1、內層旋轉管2，在所述外層旋轉管I外周設有屏蔽電極7，在所述主體的底部設置有一固定臺3 ;所述電容測量部分包含有電壓激勵信號源8、電容測量電路9形成的電容測量系統10及儀器地11。
[0021]所述內層旋轉管2的內壁上至少粘附一個激勵電極4，所述外層旋轉管I的內壁上至少粘附一個測量電極6，并粘附保護電極5 ；電容測量系統10工作時，激勵電極4與電壓激勵信號源8相連；測量電極6與電容測量電路9相連，處于虛地電位狀態；保護電極5與屏蔽電極7與儀器地11相連，處于地電位。
[0022]所述激勵電極4與電壓激勵信號源8相連、測量電極6與電容測量電路9連接，通過電容測量系統10進行測量，或激勵電極4與電容測量電路9相連，而測量電極6與電壓激勵信號源8相連時，仍通過電容測量系統10進行測量。
[0023] 所述激勵電極4的形狀為高、寬尺寸可調整6矩形，粘貼于內側旋轉管2內壁的中間位置；測量電極6的形狀為高、寬尺寸可調整6矩形，并與激勵電極4等高，粘貼于外層旋轉管I內壁的中間位置；保護電極5緊密包圍測量電極6，保護電極5和測量電極6之間有細小縫隙，互不導通；保護電極5與測量電極6共同均布外層旋轉管I的內壁，其中可有多個測量電極。[0024]所述外層管道1、內層旋轉管道2、固定臺3均采用有機玻璃或非導電性材料制作。
[0025]所述激勵電極4、保護電極5、測量電極6、屏蔽電極7均采用可導電的金屬薄片制作。
[0026]圖1所示為本發明的具有雙層旋轉電極的ECT傳感器結構的整體結構，所述傳感器的主體包括有內層旋轉管2、外層旋轉管I。傳感器激勵電極4、保護電極5、測量電極6、屏蔽電極7分別布置于內層旋轉管2的內壁、外層旋轉管I的內壁及外壁，圖3給出了激勵電極的布置圖。測量電極4粘附于內層旋轉管2的內壁，形狀為矩形，位于中間位置。圖4為外層旋轉管內壁電極布置圖。該部分電極由兩部分構成，即保護電極5和測量電極6。本實施例中，包含激勵電極4及測量電極6各一，但本發明亦可采用其他電極數目。圖5是外層旋轉管I的外壁電極布置圖，構成了傳感器的屏蔽電極7。
[0027]如圖2?4所示，內層旋轉管2內部區域為傳感器的敏感區域，置于其中的介質因其介電常數、分布不同，而導致電容測量值不同，電容及其變化可被一對ECT檢測電極測量。與此不同，雙層旋轉電極的旋轉部件可由步進電機、伺服電機以及手動方式驅動，可以極小的角度步長Θ，其中Θ =360 □ /N，其中N為正整數，表示旋轉機構旋轉一周所需的步數連續旋轉，使得其得以在整個圓周上擁有N個觀測角度。在此，N可為大于12的正整數，一般普通ECT傳感器中的電極個數為12。
[0028]如圖1、2所示，本發明的具有雙層旋轉電極的ECT傳感器的結構主體是由兩層可自由旋轉的圓形管道構成。其中，兩層旋轉管道的材質為有機玻璃或其他非導電性材料；兩層旋轉管的高度相同，在本例中高度為300mm;內層旋轉管道2、外兩層管道I的內徑外徑分別為:100mm、110mm、115mm、125cm。在內層旋轉管道2及外層旋轉管道I之間存有一定間隙，即為2.5mm，使兩管道在旋轉時不致產生接觸和摩擦。
[0029]為方便安裝旋轉驅動裝置，在傳感器的底部設置有一固定臺3。固定臺3也可作為測試物的支撐臺。固定臺3的材質與管道相同，均可以采用有機玻璃或其他非導電性材料制作。
[0030]在本傳感器中，參與檢測的電極有激勵電極4及測量電極6，如圖3、圖4所示。在進行電容檢測時，激勵電極4與電壓激勵信號源8產生的電壓激勵信號相連；測量電極6與電容測量電路9相連。激勵電極4及測量電極6可互換。其中，信號源提供的激勵信號為幅值20V，頻率IMHz的正弦交流電壓信號。如圖4所示，測量電極6與保護電極5之間由一狹縫相隔離。當測量電極6工作時，其處于虛地電位；此時，保護電極5接儀器地11，從而使測量電極與保護電極處于等電位狀態。在外層旋轉管I的外壁布置有屏蔽電極7，如圖5所示，同樣與儀器地11相連。這種狀態有利于隔絕外部電場對管道內電場的影響，提高電容測量的精度。此時，激勵電極4、保護電極5、測量電極6與屏蔽電極7具有特定電位，在內層旋轉管2內形成電場。其中，該電場的電勢分布可由麥克斯韋電磁場方程組確定。
[0031]內層旋轉管2、外層旋轉管I均可自由旋轉，驅動方式可采用步進電機、伺服電機以及手動等方式。以步進電機驅動方式為例，可實現絕對定位精度0.01°。當設定最小步進角為1°時，激勵電極4、測量電極6可分別達到360個旋轉角度，即N=360。此種情況下，激勵及測量電極所有可能的角度組合可達到360*360=129600個。與之相比，通常的12電極ECT傳感器的所有可能的角度組合僅有66個。
[0032]以上對本發明進行示意性描述，并不局限于此，附圖中所示只有是本發明的實施方式之一，若本領域研究人員在不脫離本發明宗旨的情況下，提出與該技術方案相似的結構形式，均應屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器，該傳感器包括有主體結構部分及電容測量部分，其特征是:所述主體結構部分是由兩層可自由旋轉的圓形管構成，即兩層之間存有一定間隙的外層旋轉管(I)、內層旋轉管(2)，在所述外層旋轉管(I)外周設有屏蔽電極(7)，在所述主體的底部設置有一固定臺(3);所述電容測量部分包含有電壓激勵信號源(8)、電容測量電路(9)形成的電容測量系統(10)及儀器地(11)； 所述內層旋轉管(2)的內壁上至少粘附一個激勵電極(4)，所述外層旋轉管(I)的內壁上至少粘附一個測量電極(6)，并粘附保護電極(5);電容測量系統(10)工作時，激勵電極(4)與電壓激勵信號源(8)相連；測量電極(6)與電容測量電路(9)相連，處于虛地電位狀態；保護電極(5)與屏蔽電極(7)與儀器地(11)相連，處于地電位。
2.根據權利要求1所述的具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器，其特征是:所述激勵電極(4)與電壓激勵信號源(8)相連、測量電極(6)與電容測量電路(9)連接，通過電容測量系統(10)進行測量，或激勵電極(4)與電容測量電路(9)相連，而測量電極(6)與電壓激勵信號源(8)相連時，仍通過電容測量系統(10)進行測量。
3.根據權利要求1所述的具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器，其特征是:所述激勵電極(4)的形狀為高、寬尺寸可調整(6)矩形，粘貼于內側旋轉管(2)內壁的中間位置；測量電極(6)的形狀為高、寬尺寸可調整(6)矩形，并與激勵電極(4)等高，粘貼于外層旋轉管(I)內壁的中間位置；保護電極(5)緊密包圍測量電極(6)，保護電極(5)和測量電極(6)之間有細小縫隙，互不導通；保護電極(5)與測量電極(6)共同均布外層旋轉管(I)的內壁，其中可有多個測量電極。
4.根據權利要求1所述的具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器，其特征是:所述外層管道(I)、內層旋轉管道(2)、固定臺(3)均采用有機玻璃或非導電性材料制作。
5.根據權利要求1或2所述的具有雙層旋轉電極的電容層析成像傳感器，其特征是:所述激勵電極(4)、保護電極(5)、測量電極(6)、屏蔽電極(7)均采用可導電的金屬薄片制作。
【文檔編號】G01N27/22GK103454318SQ201310420106
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月13日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】崔自強, 王化祥 申請人:天津大學