一种厚度测量装置及使用方法制造方法及图纸

本文提供了用于基于电容阵列的厚度测量装置的系统、方法和设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种厚度测量装置及使用方法
本专利技术总体上涉及一种测量装置。
技术介绍
在文献中已经提出了几种用于测量浮油厚度的感测技术。用于油检测和厚度估算的大多数现有技术要么太昂贵、不准确、对一区域内的厚度进行宽泛估算、受环境条件的影响，要么无法提供连续的监测能力。用于对油进行估计/检测的技术可以分为两种类型：远程测量或基于接触。远程测量技术包括视觉方法，其中专家根据颜色提供浮层(slick)厚度的估计值。通过来自空运交通工具或卫星的高光谱成像、雷达和热成像增强了该技术。这些技术有助于提供相对总体的厚度评估，并且受光照和大气条件的影响很大，价格昂贵或无法连续进行。另一方面，基于接触的方法具有提供局部化和连续厚度测量的潜力。这些方法包括最传统的仪器方法：电导率、电容、光阵列、电磁和视觉。然而，该领域中的现有传感器仍然存在误差，对照明条件、油类型、环境条件、结垢效应以及波浪条件的敏感性。存在很少的商用传感器，并且大多数旨在简单地检测泄漏或在密闭容器中发挥作用，而不是测量开放的水中的油厚度，特别是在传感器不固定的情况下。本专利技术试图解决这些问题以及其他问题。
技术实现思路
本文提供了用于基于电容阵列的厚度测量装置的系统、方法和设备。该方法、系统和设备在下面的描述中部分地阐述，并且部分地从该描述中将是明显的，或者可以通过实践该方法、设备和系统而获知。该方法、设备和系统的优点将通过所附权利要求中特别指出的元件和组合来实现并获得。应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和解释性的，并且不限制所要求保护的方法、设备和系统。附图说明在随附附图中，在本专利技术的若干优选实施方式中，相同的元件由相同的附图标记标识。图1A是厚度测量装置的一个实施方式的俯视图(基本设计-没有引脚)。图1B是图1A中所示的装置的连接示意图。图1C示出了厚度测量装置的处理和通信单元。图1D是带有引脚的传感器设计的一个实施方式的侧视图。图2A是检测水上的油层的厚度的条(strip)之间的示意图的侧视图。图2B是带有引脚的增强型传感器设计的侧视图。图2C示出了实现的带有引脚的增强型传感器设计原型。图2D示出了带有防水外壳的完整感测单元。图2E是示出了传感器电极的相对差的表I。图2F是示出了与校准的相对差的图。图2G是电极之间的比率的图。图2H是根据一个实施方式的算法的流程图。图2I是例示了在不同位置处的竖向电容阵列的示意图。图3A是电容传感器设计的示意图的侧视图；图3B是电容传感器设计的轨道的示意图的仰视图；以及图3C是电容传感器设计的示意性电极的俯视图。图4是MPR121分支板的一个实施方式的透视图。图5是MPR121电压测量周期的实施方式的图。图6是电容传感器控制电路的示意图。图7A是电容控制器电路+GPS&无线的俯视图；图7B是电容传感器和电极的俯视图。图7C是电容传感器和轨道的仰视图；且图7D是电容传感器PCB的整体视图。图8是空中传感器的实验1的图。图9是轻油/水的实验2的图。图10是空气/轻油的实验3的图。图11是燃料油实验1-定位油/水界面的图。图12是燃料油实验2-定位空气/油界面的图。图13是C与△Ct的图。图14是示出K均值算法结果的图。图15是表XV：界面检测算法-数值实验结果。图16是示出界面检测算法-比率的图。图17A-图17C是示出传感器输出与时间灰度表示的曲线图，其中采样率：50毫秒(图17A)；采样率100毫秒(图17B)；以及采样率200毫秒(图17C)。图18是多情况算法流程图的示意图。图19是封装原型的一个实施方式的透视图。图20是封装原型的一个实施方式的透视图。图21A是等距分解视图，图21B是等距视图，图21C是前平面剖面。图22A是主视图，图22B是仰视图，且图22C是右视图。图23A是电容卡，图23B是控制板，图23C是弹簧加固的搭扣锁。图24和图25示出了实验测试台(箱)的设计。图26是具有振动机构的电容传感器的俯视图。图27是示出在安装振动器之前和之后的E1电压降的图(电压(ADC)与时间(秒))。图28是示出在安装振动器之前和之后的E2电压降的图(电压(ADC)与时间(秒))。图29是示出在施加纳普泰(Nanoprotech)电绝缘材料之前和之后的E35和E36电压降的图(电压(ADC)与时间(秒))。图30是示出在用超干(空气)涂覆之前和之后测量的电压(ADC)之间的比较的图。图31是示出在用超干材料涂覆之前和之后在空气/油/水的情况下的平均百分比差之间的比较的图。图32是在电池供电和USB供电的情况下由El测量的电压之间的比较。图33是用于电容传感器调谐实验的实验装置的正视图。图34是电流调谐-图(电压(ADC)与电流(μA))的图。图35是时间调谐-图(电压(ADC)与时间(0.5-32μs)的图。图36是组合调谐图(delta(Δ)与时间和电流)的图。图37是用于浸渍测试的实验装置的图片(Ohmsett)。图38是添加受控量的油-量筒的图片。图39是浸渍测试(1-8)/柴油的图(静态和动态曲线)。图40是油浮层-Hoops(胡佛海上石油管道系统)(风化)下的传感器本体的涂层的图片。图41是示出浸渍测试(9-16)/Hoops(风化)(静态和动态曲线)的图。图42是示出测试9(静态)-Hoops(风化)(3.175mm)的图。图43是示出浸渍测试(17-25)/Hydrocal(静态和动态曲线)的图。图44是示出浸渍测试(26-33)/Calsol(静态和动态曲线)的图。图45是显示电容传感器-桥式安装实验装置的图片。图46是示出通道中所含的油-风效应的图片。图47是示出动态测试(34-35)-Hydrocal的曲线图。图48是示出安装至DesmiTermite撇取器(skimmer)的传感器#1的图片。图49是根据一个基于引脚的实施方式的单个感测单元的示意图。图50是根据一个基于引脚的实施方式的分离的感测单元的示意图。图51是示出根据一个基于引脚的实施方式的相邻的感测单元的示意图。图52是示出所测量的电容(pF)与材料厚度(mm)-从基于三个引脚的设计(单个单元、三个单元以及具有11个引脚的完整行)获得的结果的比较的图。图53是PCB原型的替代实施方式-基于共面的设计和基于引脚的设计的主视图。图54：是实验评估-所测量的电容与模拟值的图。具体实施方式通过以下结合随附附图对示例性实施方式的详细描述，本专利技术的前述以及其他特征和优点将变得显而易见。详细描述和附图仅是对本专利技术的例示而不是限制，本专利技术的范围由所附权利要求及其等同物限定。现在将参考本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容传感器，所述电容传感器包括：形成电容器阵列的多个传导板，其中，每个电极处的电容变化是独立测量的，以用于检测所述传导板周围的材料的类型；由所述电极形成的电场在感测平面上方延伸，并且允许检测所述传感器周围的液体的介电常数变化。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180202 US 62/625,7361.一种电容传感器，所述电容传感器包括：形成电容器阵列的多个传导板，其中，每个电极处的电容变化是独立测量的，以用于检测所述传导板周围的材料的类型；由所述电极形成的电场在感测平面上方延伸，并且允许检测所述传感器周围的液体的介电常数变化。


2.根据权利要求1所述的电容传感器，其中，由于所述传感器是基于电极之间的电容的差而不是基于绝对电容值来起作用的，因此在现场不需要针对不同类型的材料进行校准。


3.根据权利要求1所述的电容传感器，其中，所述电容传感器能够对水/油界面以及油/空气界面进行区分；并且无论是沿着所述传感器在哪个位置出现油的厚度均能够确定出所述厚度。


4.根据权利要求1所述的电容传感器，还包括：多个电容触摸控制器模块，所述多个电容触摸控制器模块可操作地耦接到所述多个传导板和处理单元；其中，所述电容触摸控制器是通过在特定持续时间期间用DC电流对每个感测电极进行充电和放电来工作的；并且在每个电极的激励和测量期间，所有其他电极均连接至接地。


5.根据权利要求4所述的电容传感器，其中，在每个充电和放电周期结束时，所测量的电压通过所述处理单元被转换为数字值，并且所述数字值被应用有数字滤波器，以提高在不同环境条件下的抗噪性。


6.根据权利要求5所述的电容传感器，其中，每个电极的高度为约2mm，并且两个相邻电极之间的竖向间隙为约1mm。


7.根据权利要求6所述的电容传感器，还包括微控制器，所述微控制器可操作地耦接所述处理单元以接收所述数字值，并且所述微控制器应用厚度估计算法来计算并报告实际的油厚度。


8.根据权利要求6所述的电容传感器，还包括多个水平引脚，所述多个水平引脚可操作地耦接到传导条；其中，所述多个水平引脚在位于水中时被短路；并且位于油中的所述多个水平引脚完全浸入油中，并且所测量的电容与所述油的介电常数有关。


9.一种用于找到位于具有不同介电常数的材料之间的界面处的电极的指数的测量方法，所述方法包括：
通过使用多个电容触摸控制器和多路复用器以顺序方式测量位于水/油界面以及空气/油界面处的所有电极的电压值；
读取从每个电极获取的数字电压值，并且应用多层数字滤波以增强所述数字电压值的稳定性；
对所获取的电压值进行归一化，并且针对每个电极计算与基线校准值的相对百分比变化；
使用所计算的相对百分比变化来确定每个电极的状态，其中，每个电极的状态是空气、油或水；以及
将每个比率分配给所述比率的电极指数，并且通过了解所述传感器的几何尺寸以及了解电极之间的间距，计算油的实际厚度。


10.根据权利要求9所述的测量方法，还包括：当所述传感器完全干燥并且露天放置特定的持续时间时取得校准值。


11.根据权利要求9所述的测量方法，还包括：处理传感器上升或下降时的动态运动；以及通过使用每个测量周期处的所有电压测量值的平...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊马德·H·埃尔哈吉，丹尼尔·H·阿斯马尔，迈赫迪·萨利赫，加桑·韦达特，
申请(专利权)人：贝鲁特美国大学，
类型：发明
国别省市：美国;US