一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统技术方案

本发明专利技术提供了一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统，系统由硬件系统及控制软件组成，硬件系统包括电容传感器、微控器、组合阵列开关、激励源、电容电压转换和数模转换电路以及上位机六个部分，激励源用于生成高精度的正弦信号，组合阵列开关接收微控器发送的控制指令实现传感器极板工作模式的柔性组合，电容电压转换及采集模块实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理及模拟信号与数字信号的转换；控制软件安装在上位机上，通过控制软件界面为系统进行设置并向微控器发送信息。系统采用模块化设计配合控制软件，根据实际工作需求，进行模块化拼装，实现了激励极板与测量极板任意的柔性组合，提高了系统的环境适应能力、通用性及测量精度，节约了成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电容层析成像
，具体来说涉及一种柔性激励和组合检测的电容层析成像数据获取系统。
技术介绍
电容层析成像(ElectricalCapacitance Tomography,简记为 ECT)是一种新型的多相流參数检测技术，具有成本低、速度快、非侵入性、适用范围广和安全性好等优点，广泛应用于石油、环保、冶金、化工等经济行业中多相流流体分布情况的实时在线測量，以实现生产过程的监控和优化。在电容层析成像系统领域，专利01112515. 2《电容层析成像电容测量系统》和 专利01120206. 8《ー种方形电容层析成象传感器》对传感器的形状进行了探讨，专利201110189099《一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置》介绍了ー种传感器极板数及几何尺寸可以改变的传感器设计方法，但电容层析数据获取系统对不同形状、不同极板个数的传感器的自适应方面的研究还有所欠缺。同吋，杨五强等设计了基于交流激励的微电容測量电路，但传统的基于交流激励的ECT数据获取系统多以ー种固定的激励模式配合ー种固定的数据检测模式，如单电极激励单电极检测模式，即在ー个电极上加载激励信号，检测其余各电极；三电极激励双电极检测模式，即在相邻的三个电极上同时加载激励信号，依次检测其余的相邻电极等。此外，现有ECT数据获取系统所适用的传感器的形状多为固定，主要包括圆形传感器或方形传感器；极板个数对于ー个成像系统都是固定的，如8电极、12电极或16电极，不能够实现数据采集系统与不同极板数电容传感器之间的随意切換。由于激励模式的固定和检测模式的不可调节性，使得传统的ECT数据获取系统存在着以下局限性(I)不同工作模式下的ECT数据获取系统，所获得的信息量不同，而不同的应用环境对信息量的需求量也有所不同。传统ECT数据获取系统，由于其工作模式及所适用的电容传感器极板个数固定，无法根据实际的工作环境随机的调整工作模式和电容传感器极板个数，系统的环境适应能力较差、通用性不强。(2)由于传统的ECT数据获取系统通用性差，在实际的工作中，系统只能以类似定制的方式存在，不利于成本的节约。
技术实现思路
本专利技术针对现有ECT数据获取系统所存在的上述问题和不足，提供ー种传感器极板的柔性组合电容层析成像数据获取系统，系统由硬件系统及控制软件组成；硬件系统包括电容传感器、微控器、组合阵列开关、激励源、电容电压转换和数模转换电路以及上位机六个部分，其特征在于电容传感器与组合阵列开关相连，组合阵列开关与微控器、激励源连接，微控器与上位机相连，控制软件安装在上位机上，通过控制软件界面为系统进行设置并向微控器发送信息，激励源用于生成高精度的正弦信号，组合阵列开关接收微控器发送的控制指令实现传感器极板工作模式的柔性组合，电容电压转换及采集模块实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理及模拟信号与数字信号的转换。系统使用模块化的硬件设计配合控制软件，实现激励极板与测量极板任意的柔性组合，如实现单电极激励单电极检测模式、三电极激励双电极检测、四电极激励四电极检测等任意模式的选择，即达到激励模式和检测模式任意组合的目的。同时实现根据电容传感器的极板数的不同，随时进行数据采集系统的硬件组装和软件切換。 为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是系统使用模块化的硬件设计配合控制软件，实现激励极板与测量极板任意的柔性组合。系统中组合阵列开关与电容传感器、微控器和激励源相连接，接收微控器发送的控制指令，实现传感器极板工作模式的柔性组合；微控器与上位机相连，向组合阵列开关发送控制指令；激励源用于生成高精度的正弦信号；电容电压转换及采集模块实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理及模拟信号与数字信号的转换；控制软件安装在上位机上，通过控制软件界面对系统进行设置并向微控器发送信息。本专利技术与现有技术比较，其优点在于(I)实现了 ECT数据获取系统工作极板之间的柔性组合，极板之间的切换模式可以根据实际的工作环境进行相应的选择，提高了系统的环境适应能力，适用性更强；(2)实现ECT数据获取系统硬件的模块化拼装，提高了系统的灵活性和通用性，使单套电容层析成像系统可以适用于不同的工作环境，为系统的便携性打下了基础且节约了经济成本；(3)根据系统的实际应用要求选择传感器极板的个数和极板之间的切换模式，有利于成像精度的提高。附图说明图I是本专利技术中ECT数据获取系统的系统示意图；图2是本专利技术中传感器阵列开关中单极开关示意图；图3是本专利技术中传感器极板作为激励电极时单极开关投掷示意图；图4是本专利技术中传感器极板作为测量电极时单极开关投掷示意图；图5是本专利技术中传感器极板接地时单极开关投掷示意图。图6是本专利技术控制系统软件流程图。图中电容传感器I、组合阵列开关2、微控器3、激励源4、电容电压转换和模数转换5、通信接ロ 6. O、数据信号线6. I、PCB板走线6. 2、上位机7、单极开关8、电容传感器单片极板9、单刀双掷开关10. O、单刀双掷开关10. I、单刀单掷模拟开关10. 2、电源地11、开关控制线12. O、开关控制线12. I、开关控制线12. 2。具体实施例方式以下结合附图介绍本专利技术详细技术方案如图I所示，传感器极板的柔性组合电容层析成像数据获取系统，硬件系统采用模块化设计。它包括电容传感器I、微控器3、组合阵列开关2、激励源4、电容电压转换和数模转换电路以及上位机六个部分。电容传感器与组合阵列开关相连，组合阵列开关与微控器、激励源连接，微控器与上位机相连，控制软件安装在上位机上，通过控制软件界面对系统进行设置并向微控器发送信息，激励源用于生成高精度的正弦信号，组合阵列开关接收微控器发送的控制指令实现传感器极板工作模式的柔性组合，电容电压转换及采集模块实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理及模拟信号与数字信号的转换；所述微控器向组合阵列开关发送控制指令，通过控制阵列开关的通断，实现对电极板之间激励极板和检测极板的柔性组合。所述电容传感器I可以为圆形传感器或方形传感器，传感器极板数可以为八电极、十二电极或者十六电极，径向隔离电极和屏蔽罩可选装，电容传感器的单片极板9均通过O. 5米长的同轴电缆线6. I结合SMA公头与ー块的单极开关8相连。所述的组合阵列开关2由八片、十二片或者十六片图2所示的单极开关8组成(单极开关的个数与传感器极板数相同)，组合阵列开关2接受微控器3的控制。如图2所示，单极开关8由一片单刀单掷模拟开关10. 2、两片单刀双掷模拟开关10. O和10. I组成，模拟开关的控制端12. O、12. I和12. 2通过控制总线连接至微控器3。单 刀双掷开关选用芯片ADG1334，其内置四个独立可选的单刀双掷(STOT)开关，最大的开关时间最大为150ns，双向导电性相同。单刀单掷开关选用ADG1414，其内置八路独立可选的单刀但只开关，最大开关时间为75ns。所述的电容电压转换和模数转换5，实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理(包括信号的放大、解调、滤波等)及模拟信号与数字信号的转换。电容电压转换及信号放大均采用高速、高精度运放0PA637实现，解调中所使用的模拟乘法器使用AD633实现，滤波器使用八阶巴特沃斯低通滤波器MAX291，衰减率为SOdB/十倍频。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种传感器极板柔性组合电容层析成像数据获取系统，由硬件系统及控制软件组成，硬件系统包括电容传感器、微控器、组合阵列开关、激励源、电容电压转换和数模转换电路以及上位机六个部分，其特征在于电容传感器与组合阵列开关相连，组合阵列开关与微控器、激励源连接，微控器与上位机相连，控制软件安装在上位机上，通过控制软件界面对系统进行设置并向微控器发送信息，激励源用于生成高精度的正弦信号，组合阵列开关接收微控器发送的控制指令实现传感器极板工作模式的柔性组合，电容电压转换及采集模块实现传感器电容值与电压值之间的转换、数据的调理及模拟信号与数字信号的转换；所述微控器向组合阵列开关发送控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩焱，姚金杰，张佩宇，王黎明，张丕状，苏新彦，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：