一种三维ECT数据采集系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种三维ECT数据采集系统，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，电容传感器为采用三维分布的极板，极板为矩形并设置在圆形管道的外部，管道外部设有屏蔽罩，极板分三层设置，每层设置四个，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈0～90°角旋转式分布，极板两侧还设置有接地的屏蔽环；数据采集装置由主电路板和外围设备构成。本实用新型专利技术提高了数据采集的速度，具有结构简单、抗干扰能力强、测量精度易于控制等优点，适于推广应用。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术主要涉及一种电容层析成像数据采集系统，特别涉及一种基于 C8051F700的三维ECT数据采集系统，属于电容层析成像

技术介绍
电容层析成像系统，需要测量均勻分布在工业管道外壁的极板间电容，通过介质引起的电容变化获得管道内部物料或流体的可视化信息。而极板间电容值通常很小，本体电容大约在0. OlpF到0. 5pF左右，电容变化量更小，而杂散电容和耦合电容等测量干扰因素却很大，可以达到几十到上百皮法，这就对微小电容检测电路提出了很高的要求。传统的电容检测方法有直流充放电和交流C/V转换等分立元件检测电路，转换速率低，难以满足系统实时性要求。分立元件结构复杂，易受外界环境干扰，抗干扰能力差，采用并行检测时电路多路切换开关难于控制并给电路带来更多的耦合电容，多路一致性也不好，抑制测量精度，严重影响成像质量。而三维传感器分布，极板间电容值更小，所需的测量范围更大，测量能力更强，这就为ECT系统电容测量提出了更大的挑战。传统的电容数据采集系统普遍存在运行速度慢、结构复杂、抗干扰能力差、测量精度难于控制、不适合工业环境应用等一系列问题，亟待解决。
技术实现思路
专利技术目的本技术提出了一种三维ECT数据采集系统，克服了上述现有技术存在的缺陷，结构简单，抗干扰能力强，并且提高了测量精度。技术方案一种三维ECT数据采集系统，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，其特征在于所述电容传感器为采用三维分布的极板，极板为矩形并设置在圆形管道的外部，管道外部设有屏蔽罩，极板分三层设置，每层设置四个，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈O 90°角旋转式分布，极板两侧还设置有接地的屏蔽环；所述数据采集装置由主电路板和外围设备构成。所述管道的直径为L，以L/7. 7为系数，极板的参数为极板高度为2. 5L/7. 7，极板宽度为4 L/7. 7，极板间径向距离为2 L/7. 7，极板间轴向距离为2 L/7. 7。所述主电路板由单片机及其外围电路构成，单片机以C8051F700为核心，外围电路包括极板电容输入电路、供电电路、LED显示电路以及串口输出电路。所述外围设备为供电电源和串口 USB转换器。所述数据采集装置的主电路板紧贴管道外壁设置，并靠近极板。所述数据采集装置的主电路板与管道一并置于屏蔽罩内部。所述的相邻两层极板之间呈45°角旋转式分布。优点及效果本技术提出了一种三维ECT数据采集系统，是对传统的二维电容层析成像数据采集方案的突破和改进，具有如下优点(1)、利用传感器的极板三维分布，合理的空间结构和分层旋转式的方法，为图像重建提供更加充分和准确的管道内部信息，提高了图像重建的真实性。(2)、利用C8051F700芯片的自身优势，大大提高了数据采集的速度，对于每个输入电容值，电路最高转换速率可达40 μ s per input。实验表明，在理想情况下，对于12极板的电容层析成像，系统重建速度可达到140帧每秒以上，满足了在线管道内检测的实时性要求。由于芯片的多功能集成，用极少资源解决电容检测系统的各项问题，使整个硬件系统结构简单、轻便，易于靠近测试主体，规避外界环境，抗干扰能力强，对工业应用有更好的适应性。(3)、系统本身有具有一定的杂散电容抑制能力和较高的精度，在尽量去除外界环境干扰的情况下，测量大约可精确到0. Olpf，为图像重建质量提供了保证。附图说明图1为本技术的电容传感器结构示意图；图2为本技术主电路板的电路原理图；图3为本技术整体结构示意图。附图标记说明1、极板；11、屏蔽罩；12、管道；13、屏蔽环；2、主电路板；21、供电电源；22、串口 USB转换器；23、电容输入端口 ；L、管道直径。具体实施方式以下结合附图对本技术做进一步的说明传统的电容数据采集系统普遍存在运行速度慢、结构复杂、抗干扰能力差、测量精度难于控制、不适合工业环境应用等一系列问题，亟待解决。为本技术采用单片机C8051F700，利用该芯片电容测量模块，高速以及高度集成的优势，解决上述问题。一种三维ECT数据采集系统，如图1中所示，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，其特征在于电容传感器通过数据采集装置与上位机连接，所述电容传感器为采用三维分布的极板1，极板1为矩形并设置在圆形管道12的外部，管道12外部设有屏蔽罩11， 极板1分三层设置，每层设置四个，共12个极板，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈0 90°角旋转式分布，该旋转角度可以根据实际需要在0 90°角度之间进行选择，例如可以选择0°角，30°角，60°角，90°角等等，当相邻两层极板之间呈45°角旋转式分布时效果最佳。极板1两侧(最上层极板的上侧和最下层极板的下侧)还设置有接地的屏蔽环13， 屏蔽环接地的目的是为了减少干扰；这种三维结构对管道12 —定区域(极板覆盖的区域) 内介质有较好的辨识度。所述数据采集装置由主电路板2和外围设备构成。为了获得较为准确的管道内部信息，经过反复的图像重建算法分析和实验验证。经过仿真分析，得出管道直径为7. 7cm时，极板高度，宽度，径向、轴向距离的理想值。以该组参数值为标准，按照管道直径与标准直径的相应比例，同等比例地缩放高度，宽度，径向、轴向距离，从而获得对于不同管道直径的极板大小和分布参数。对于采用12个极板的三维结构分布采用以下参数管道12的直径为L，以L/7. 7作为系数，对于不同的管道直径，以该系数为标准，即可得到对应的极板1的参数极板高度为2. 5L/7. 7，极板宽度为4 L/7. 7，极板间径向距离为2 L/7. 7，极板间轴向距离为2 L/7. 7。这样设置极板的参数，可以更为准确地获得管道12内部的信息。例如管道直径为7. 7cm时，极板的理想参数为极板高度2. 5cm,极板宽度km， 极板间径向距离2cm，轴向距离2cm。如图2中所示是数据采集装置主电路板的电路原理图(图中为12个极板输入)，主电路板2由单片机及其外围电路构成；单片机以C8051F700为核心；外围电路包括极板电容输入电路、供电电路、LED显示电路以及串口输出电路。所述外围设备为供电电源21和串口 USB转换器22。所述数据采集装置的主电路板2紧贴管道12外壁设置，并尽可能地靠近极板1。所述数据采集装置的主电路板2也可以与管道12 —并置于屏蔽罩11内部，这样设置可以减少屏蔽线带来的杂散电容。图3中所示为本技术的整体结构示意图，如图中所示，本技术在使用时， 电容传感器即为管道12外壁设置的极板1，通过屏蔽线与电容输入端口 23连接，每个极板一次对应一个电容输入端口。供电电源21为5v左右直流供电电源，通过AMSl 117稳压器为单片机供电。C8051F700含有32个电容输入端口，可以选择与极板数目相同的端口，每个极板通过屏蔽线与端口对应连接，作为单片机的输入。C8051F700内置有电容传感器模块， 在工作状态下，可通过编写程序选择接地极板，单片机会一次获取该极板与其他极板的电容值，并在电容传感器CDC (电容数字量转换)模块的作用下，将电容值转换成具有16位精度的数字量。对于每个输入电容值，电路最高转换速率可达40 μ s per input。实验表明， 在理想情本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维ECT数据采集系统，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，其特征在于所述电容传感器为采用三维分布的极板(1)，极板(1)为矩形并设置在圆形管道(12)的外部，管道(12)外部设有屏蔽罩(11)，极板(1)分三层设置，每层设置四个，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈0 90°角旋转式分布，极板(1)两侧还设置有接地的屏蔽环(13);所述数据采集装置由主电路板(2)和外围设备构成。2.根据权利要求1所述的一种三维ECT数据采集系统，其特征在于所述管道(12) 的直径为L，以L/7.7为系数，极板(1)的参数为极板高度为2. 5L/7.7，极板宽度为4 L/7. 7，极板间径向距离为2 L/7. 7，极板间轴向距离为2 L/7. 7。3.根据权利要求1所述的一种三...

【专利技术属性】
技术研发人员：周英钢，颜华，王雪，王伊凡，田大壮，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：实用新型
国别省市：