差分式電容層析成像傳感器及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種差分式電容測量方法，特別是一種采用差分式電容層析成像傳感 器及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電容層析成像巧lectrical Capacitance Tomography, ECT)系統(tǒng)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(nèi)介質(zhì)分 布之間的關(guān)系進(jìn)行圖像的重建，得到被測場域內(nèi)介質(zhì)分布圖像。傳感器是ECT系統(tǒng)信息的 源泉。通常ECT傳感器的電極個(gè)數(shù)為8、12或16個(gè)電極每層，并可在軸向上構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)； 且實(shí)施電容測量時(shí)，檢測各個(gè)測量電極對之間的電容值。該種情況下，有效的電容測量數(shù)為 n(n-l)/2個(gè)，其中n為電極個(gè)數(shù)。當(dāng)電極個(gè)數(shù)為12時(shí)，有效的測量數(shù)僅為66個(gè)。ECT多用 于工業(yè)管道測量，傳感器截面為圓形，電極均勻分布于圓周。由于傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得 各電極對之間的電容數(shù)值差別很大。W 12電極ECT傳感器為例，相鄰電極之間的電容、相 對電極之間的基礎(chǔ)電容值巧CT稱為空場值）分別為0. 5pF、0. OlpF。此外，ECT測量主要 為獲得電容變化量而非電容的絕對數(shù)值。但是，實(shí)際測量中，電容基礎(chǔ)值又遠(yuǎn)高于電容變化 量，僅為0. 1?100巧。該就要求ECT測量電路具有很高的動(dòng)態(tài)測量范圍和測量精度。
[0003] ECT圖像重建所需數(shù)據(jù)為電容變化量，電容基礎(chǔ)值對圖像重建結(jié)果并無影響。消除 電容基礎(chǔ)值可有效的降低被測電容的動(dòng)態(tài)范圍，有助于提高ECT系統(tǒng)的性能。相鄰電極之 間電容遠(yuǎn)大于其他電極對的電容，可相差10倍W上，在實(shí)踐中往往放棄測量相鄰電極電容 值，W減少被測電容的動(dòng)態(tài)測量范圍；然而，該種做法進(jìn)一步減少電容測量數(shù)據(jù)，無益于提 高ECT圖像重建質(zhì)量。徑向屏蔽電極可有效降低相鄰電極之間的電容基礎(chǔ)值，并已在ECT傳 感器設(shè)計(jì)中廣泛使用。徑向屏蔽電極是在各測量電極之間嵌入接地屏蔽電極，隔斷相鄰電 極在成像區(qū)域外側(cè)電場線，從而減少電容值。從測量的角度考慮，徑向屏蔽電極有益無害， 但在傳感器制作比較困難。而且，相鄰電極在成像區(qū)域及絕緣管道內(nèi)仍有電場線相連，由于 空氣的相對介電常數(shù)為1，仍會(huì)有相當(dāng)大的電容基礎(chǔ)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種差分式電容層析成像傳感 器及測量方法，利用差分傳感器電極對的電容抵消測量電極對的電容基礎(chǔ)值，使ECT檢測 電路可直接測量電容變化量，從而達(dá)到降低被測電容動(dòng)態(tài)范圍、提高電容測量精度的效果。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種差分式電容層析成像傳感 器，其中：該傳感器包括有測量電極、差分電極、絕緣管道、外屏蔽層、保護(hù)電極，所述外屏蔽 層設(shè)于絕緣管道的外部，所述測量電極、差分電極多個(gè)成對對稱均勻分布于絕緣管道與外 屏蔽層之間相連，所述測量電極緊貼于絕緣管道上，在絕緣管道上部及下部均設(shè)有保護(hù)電 極，上部及下部的保護(hù)電極均對應(yīng)有一個(gè)測量電極；測量電極同樣與差分電極成n對出現(xiàn)； 每對測量電極與差分電極通過由電子開關(guān)S1?S8構(gòu)成的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)連接至開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的正向 正弦電壓信號(hào)源、負(fù)向正弦電壓信號(hào)源或運(yùn)算放大器；所述運(yùn)算放大器與反饋電阻、反饋電 容構(gòu)成電流/電壓轉(zhuǎn)換器，并將流入運(yùn)算放大器反向輸入端的電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。
[0006] 同時(shí)提供一種上述差分式電容層析成像傳感器的測量方法。
[0007] 本發(fā)明的效果是由于差分電極對的電容可抵消測量電極對之間的電容基礎(chǔ)值，電 容測量電路直接檢測各測量電極對電容相對于其電容基礎(chǔ)值的變化量，使得被測電容的動(dòng) 態(tài)范圍降低為原來的20%?50% ;進(jìn)一步降低了對電容測量電路動(dòng)態(tài)測量范圍的要求，可 簡化電路設(shè)計(jì)，搖高系統(tǒng)信啜比12地。
【附圖說明】
[000引圖1是本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器的縱截面視圖；
[0009] 圖2是圖1的A-A剖視圖；
[0010] 圖3是檢測電路原理示意圖。
[0011] 圖中；
[0012] 1、外屏蔽層2、測量電極3、差分電極4、絕緣管道
[0013] 5、保護(hù)電極6、輸出電壓7、正向正弦電壓信號(hào)源
[0014] 8、反向正弦電壓信號(hào)源9、運(yùn)算放大器
【具體實(shí)施方式】
[0015] 結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器及測量方法加W說明。
[0016] 本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器及測量方法利用差分式電容層析成像傳感 器實(shí)現(xiàn)差分式測量。
[0017] 本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器，該傳感器包括有測量電極2、差分電極3、 絕緣管道4、外屏蔽層1、保護(hù)電極5,所述外屏蔽層1設(shè)于絕緣管道4的外部，所述測量電極 2、差分電極3多個(gè)成對對稱均勻分布于絕緣管道4與外屏蔽層1之間相連，所述測量電極 2緊貼于絕緣管道4上，在絕緣管道4上部及下部均設(shè)有保護(hù)電極5,上部及下部的保護(hù)電 極5均對應(yīng)有一個(gè)測量電極2 ;測量電極2同樣與差分電極3成n對出現(xiàn)海對測量電極2 與差分電極3通過由電子開關(guān)S1?S8構(gòu)成的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)連接至開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的正向正弦電壓信 號(hào)源7、負(fù)向正弦電壓信號(hào)源8或運(yùn)算放大器9 ;所述運(yùn)算放大器9與反饋電阻Rf、反饋電容 Cf構(gòu)成電流/電壓轉(zhuǎn)換器，并將流入運(yùn)算放大器9反向輸入端的電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓6。 [001引所述測量電極2、差分電極3至少為四對。所述測量電極2、差分電極3至少設(shè)置 一層。所述保護(hù)電極5至少設(shè)置一層。
[0019] 圖1所示為本發(fā)明的差分式電容層析成像傳感器的縱截面視圖，所述差分式電容 層析成像傳感器的主體包括有外屏蔽層1、8個(gè)測量電極2、8個(gè)差分電極3、絕緣管道4及其 上、下部各8個(gè)保護(hù)電極5。測量電極2與差分電極3成對出現(xiàn)，差分電極3位于測量電極 2外側(cè)，均勻分布于絕緣管道4軸向的外圍。在每個(gè)測量電極2的上、下方各對應(yīng)設(shè)置一個(gè) 保護(hù)電極5。
[0020] 圖2為圖1中A處的橫截剖面視圖。差分式電容層析成像傳感器工作時(shí)，其中一 測量電極2處于正相激勵(lì)狀態(tài)；與此測量電極2對應(yīng)的差分電極3處于反相激勵(lì)狀態(tài)。其 余7個(gè)測量電極2分別與對應(yīng)的差分電極3通過模擬電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)電氣相連，處于虛地