差分式电容层析成像传感器制造技术

本发明专利技术提供一种差分式电容层析成像传感器，该传感器包括有测量电极、差分电极、绝缘管道、外屏蔽层、保护电极，所述外屏蔽层设于绝缘管道的外部，所述测量电极、差分电极多个成对对称均匀分布于绝缘管道与外屏蔽层之间相连，其中测量电极紧贴于绝缘管道上，在绝缘管道的上部及下部均设有保护电极，上部及下部的保护电极均对应每个测量电极。本发明专利技术的效果是采用该结构的传感器各差分电极之间的电容数值接近于各测量电极之间的电容基础值，由于激励时在差分电极上施加反相的正弦电压激励信号，根据差分原理可将各测量电极之间的电容基础值抵消，使被测电容的动态范围降低，有利于提高电容测量的精度。

【技术实现步骤摘要】
差分式电容层析成像传感器
本专利技术涉及一种过程成像装置，特别是一种采用差分电极的差分式电容层析成像传感器。
技术介绍
电容层析成像(ElectricalCapacitanceTomography,ECT)系统依赖布置于被测场域边界的阵列电极获取一系列的电容测量值，并利用电容测量值与被测场域内介质分布之间的关系进行图像的重建，得到被测场域内介质分布图像。传感器是ECT系统信息的源泉。通常ECT传感器的电极个数为8、12或16个电极/层，并可构成多层结构；且实施电容测量时，1个激励电极与1个测量电极以1+1的形式出现。这种情况下，有效的电容测量值为n(n-1)/2，其中n为电极个数。当电极个数为12时，有效的测量数仅为66个。ECT多用于工业管道测量，传感器截面为圆形，电极均匀分布于圆周。由于传感器的结构特点，使得各电极对之间的电容数值差别很大。以12电极ECT传感器为例，相邻电极之间的电容、相对电极之间的电容分别为0.5pF、0.01pF。此外，ECT测量主要为获得电容变化量而非电容的绝对数值。但是，实际测量中，电容基础值又远高于电容变化量(仅为0.1～100fF)。这就要求ECT测量电路具有很高的动态测量范围和测量精度。ECT图像重建所需数据为电容变化量，电容的基础值(ECT称为空场值)对图像重建结果并无影响。消除电容基础值可有效的降低被测电容的动态范围，有助于提高ECT系统的性能。相邻电极之间电容远大于其他电极对的电容，可相差10倍以上，在实践中往往放弃测量相邻电极电容值，以减少被测电容的动态测量范围；然而，这种做法进一步减少电容测量数据，无益于提高ECT图像重建质量。径向屏蔽电极可有效降低相邻电极之间的电容基础值，并已在ECT传感器设计中广泛使用。径向屏蔽电极是在各测量电极之间嵌入接地屏蔽电极，隔断相邻电极在成像区域外侧电场线，从而减少电容值。从测量的角度考虑，径向屏蔽电极有益无害，但在传感器制作比较困难。而且，相邻电极在成像区域内仍有电场线相连，由于空气的相对介电常数为1，仍会有相当大的电容基础值。
技术实现思路
针对上述技术中存在的不足，本专利技术的目的是提供一种差分式电容层析成像传感器，利用差分测量有原理，由差分电极对电容抵消测量电极对的电容基础值，使ECT检测电路可直接测量电容变化量，从而达到降低被测电容动态范围、提高电容测量精度的效果。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是提供一种差分式电容层析成像传感器，该传感器包括有测量电极、差分电极、绝缘管道、外屏蔽层、保护电极，所述外屏蔽层设于绝缘管道的外部，所述测量电极紧贴于绝缘管道上，其中：所述测量电极、差分电极多个成对对称均匀分布于绝缘管道与外屏蔽层之间，在绝缘管道的上部及下部均设有保护电极，上部及下部的保护电极均对应每个测量电极。所述测量电极、差分电极至少为四对。本专利技术的效果是采用该结构的传感器各差分电极之间的电容数值接近于各测量电极之间的电容基础值，由于激励时在差分电极上施加反相的正弦电压激励信号，根据差分原理可将各测量电极之间的电容基础值抵消，使被测电容的动态范围降低，有利于提高电容测量的精度。附图说明图1是本专利技术的差分式电容层析成像传感器的纵截面视图；图2是图1的A-A剖视图。图中：1、外屏蔽层2、测量电极3、差分电极4、绝缘管道5、保护电极具体实施方式结合附图及实施例对本专利技术的差分式电容层析成像传感器结构加以说明。本专利技术的差分式电容层析成像传感器设计思想是该传感器的外屏蔽层1位于最外侧，与仪器地相连，起到隔离外界干扰的作用。所述测量电极2与差分电极3之间绝缘.电容测量系统工作时，其中一个测量电极2与正相正弦电压激励信号相连，对应的差分电极3与反相正弦电压激励信号相连；其余各对测量电极2、差分电极3之间由模拟电子开关分别相连并接至电容测量电路，处于虚地电位。本专利技术的差分式电容层析成像传感器结构是，该传感器包括有测量电极2、差分电极3、绝缘管道4、外屏蔽层1、保护电极5，所述外屏蔽层1设于绝缘管道4的外部，所述测量电极2、差分电极3多个成对对称均匀分布于绝缘管道4与外屏蔽层1之间相连，其中测量电极2紧贴于绝缘管道4上，在绝缘管道4上部及下部均设有保护电极5，上部及下部的保护电极5均对应每个测量电极2。所述测量电极2、差分电极3至少为四对。所述测量电极2、差分电极3至少设置一层。所述保护电极5至少设置一层。本专利技术的差分式电容层析成像传感器结构功能是这样实现的：图1所示为本专利技术的差分式电容层析成像传感器的纵截面视图，所述差分式电容层析成像传感器的主体包括有外屏蔽层1、8个测量电极2、8个差分电极3、绝缘管道4及其上、下部各8个保护电极5。测量电极2与差分电极3成对出现，差分电极3位于测量电极2外侧，均匀分布于绝缘管道4轴向的外围。在每个测量电极2的上、下方各对应设置一个保护电极5。图2为图1中A处的横截剖面视图。差分式电容层析成像传感器工作时，其中一测量电极2处于正相激励状态；与此测量电极2对应的差分电极3处于反相激励状态。其余7个测量电极2分别与对应的差分电极3通过模拟电子开关实现电气相连，处于虚地状态。当此次测量完成后，使下一个测量电极2处于激励状态，进行测量.如此循环，使激励状态遍历各测量电极2，完成所有测量。各保护电极5的电位和对应的测量电极2的电位相同，可为正相激励状态或接地状态。本实施例中，包含测量电极2及差分电极3各8个，但亦可采用其他电极数目，如4、6、8、12、16等数目。本实施例中，测量电极2位于绝缘管道4管道外侧，但亦可采用绝缘管道4内侧安装测量电极2的方式；此时差分电极3可安装于绝缘管道4内侧或外侧，但仍位于测量电极2外侧。本实施例中，测量电极2及差分电极3在轴向上只设置一层，但亦可在轴向上布置多层；此时，保护电极5可为两层，分别布置于轴向两端，亦可布置三层或多层，分别布置于绝缘管道4轴向两侧或两层测量电极2之间(轴向上。在本实施例中，传感器横截面为圆形，但本专利技术的差分式电容层析成像传感器结构亦适用于方形或其他形状。如图1、2所示，本专利技术的差分式电容层析成像传感器的结构主体是由测量电极、差分电极及外屏蔽层安装于管道外侧构成。其中，绝缘管道4的材质为有机玻璃或其他绝缘材料，内径外径分别为：80mm、100mm；各测量电极2与差分电极3对应的弧度相同，在本实施例中弧度为40度；轴向长度相同，在本实施例中为150mm。测量电极2紧贴于绝缘管道4外壁，可认为测量电极2所在圆周直径为100mm；差分电极3位于测量电极2外侧，二者之间绝缘，差分电极3所在圆周的直径为104mm。由于各测量电极2之间的电容存在基础电容值，而各差分电极3之间的电容数值与此基础电容值接近，因而可籍此抵消各测量电极2之间电容的基础电容值。当成像区域内介质的介电常数/分布变化后，各测量电极2之间的电容会发生变化；而各差分电极3之间的电容并不受此影响，由于差分原理，测量电路可直接测量电容变化量而非电容的绝对数值，从而大幅降低被测电容的动态范围。以上对本专利技术进行示意性描述，并不局限于此，附图中所示只有是本专利技术的实施方式之一，若本领域研究人员在不脱离本专利技术宗旨的情况下，提出与该技术方案相似的结构形式，均应属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种差分式电容层析成像传感器，其特征是：该传感器包括有测量电极(2)、差分电极(3)、绝缘管道(4)、外屏蔽层(1)、保护电极(5)，所述外屏蔽层(1)设于绝缘管道(4)的外部，所述测量电极(2)、差分电极(3)多个成对对称均匀分布于绝缘管道(4)与外屏蔽层(1)之间相连，所述测量电极(2)紧贴于绝缘管道(4)上，在绝缘管道(4)上部及下部均设有保护电极(5)，上部及下部的保护电极(5)均对应每个测量电极(2)。

【技术特征摘要】
1.一种差分式电容层析成像传感器，该传感器包括有测量电极(2)、差分电极(3)、绝缘管道(4)、外屏蔽层(1)、保护电极(5)，所述外屏蔽层(1)设于绝缘管道(4)的外部，所述测量电极(2)紧贴于绝缘管道(4)上，其特征是：所述测量电极(2)、差分电极(3)多个成对对称均匀分布于绝缘管道(4)与外屏蔽层(1)之间，在绝缘管道(4)上部及下部均设有保护电极(...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔自强，王化祥，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12