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Abstract

本发明公开了一种可旋转的平面电容层析成像传感器，包括：平面电容测量电极阵列、基板、屏蔽外壳、套筒、固定端帽、旋转位置指示片、初始与终止位置指示片。平面电容测量电极阵列设置在基板上平面，基板下平面连接旋转中心轴，旋转中心轴依次穿过屏蔽外壳中心孔、套筒，最终与带有旋转位置指示片的固定端帽连接。电极阵列为以基板中心为原点形成的若干等距分布的扇形外圈电极和内圈电极，且交错排列，外圈电极的扇形内弧与内圈电极的扇形外弧之间设有间隙。本发明的有益效果是：能够检测介电常数不同程度各向异性的介质，以实现灵敏度在不同情况下均有比较均匀的分布，从而使PECT在各种介质中取得较佳的成像效果。

Description

一种可旋转的平面电容层析成像传感器
技术领域
本发明涉及一种电学层析成像传感器，特别涉及一种可旋转的平面电容层析成像传感器。
背景技术
平面电容层析成像(Planar Electrical Capacitance Tomography,PECT)根据分布在同一平面内的电极阵列获得一组列电容测量值，并利用被测介质介电常数ε与介质分布之间的关系重建介质分布的图像，与具有广泛的应用场景。常用的PECT传感器电极个数为12或16个，一次测量分别可以获得66或120个独立测量数。
对于物体检测与损伤探测，尤其是介质的介电常数呈现各向异性时，损伤机理十分复杂，很难准确的估计与测量，而且检测通常只能从一个表面进行，传统电学层析成像难以实施，因此对于平面电容层析成像技术的研究具有重要意义。
对于PECT的传感器设计上，国内外许多研究人员提出了多种不同的设计方案。Chen D X等人设计了一种方形PECT传感器(Chen D X,Hu X H and Yang W Q.Design of asecurity screening system with a capacitance sensor matrix operating insingle-electrode mode.Meas.Sci.Technol,22,114026.)对金属刀具进行检测，这种电极结构简单，但是对于不同程度的各向异性介质，较大的灵敏度或集中在电极下方或集中在电极间隙。Tholin-Chittenden C等人设计了一种结合多种PECT电极的传感器(Tholin-Chittenden,C and Soleimani.Planar array capacitance imaging sensor designoptimization.IEEE Sensors Journal,174,1-13.)并通过检测悬浮在空气中的木块和沙盒中的水瓶来验证传感器的效果，这种结构能够利用多种电极融合来优化灵敏度分布，但是多种电极集成在同一传感器上时互相之间的影响也不可忽视。
现有PECT传感器主要针对介电常数各向同性材料所设计，较大的灵敏度主要分布在电极间隙，对介电常数各向异性分析考虑较少。当介质的各向异性程度,如水平方向各向介电常数与厚度方向介电常数的比值较大时，较大的灵敏度值分布在电极的边缘，而当介质各向异性程度较小时，较大的灵敏度值分布在电极之间的间隙中。
发明内容
针对上述技术中的不足，本发明的目的是提供一种能够检测介质介电常数各向异性程度不同的可旋转的平面电容层析成像传感器，以实现灵敏度在不同情况下均有比较均匀的分布，从而使PECT在各种介质中取得较佳的成像效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可旋转的平面电容层析成像传感器，包括平面电容测量电极阵列、基板、屏蔽外壳、套筒、旋转机构、初始位置指示片与终止位置指示片,所述平面电容测量电极阵列设置在基板上平面形成测量通道，所述基板、屏蔽外壳、套筒依次通过旋转机构连接。
所述旋转机构包括设置在基板下平面连接的中心轴、套筒、固定端帽，所述套筒上设有初始位置指示片和终止位置指示片，所述固定端帽上固定有旋转位置指示片，所述旋转中心轴依次穿过屏蔽外壳的中心孔、套筒与固定端帽连接，所述初始位置指示片与终止位置指示片之间夹角为45°设置。
所述电极阵列为以基板中心为原点形成的若干等夹角分布的扇形区域，所述测量通道为在扇形区域交错排列的扇形外圈电极和内圈电极，外圈电极的扇形内弧与内圈电极的扇形外弧之间设有间隙。
所述扇形外圈电极和内圈电极交错排列的占空比为1:1或1：2或2:1。
所述扇形外圈电极和内圈电极表面积相同。
所述测量通道为16个铜层电极。
所述间隙为1mm。
所述屏蔽外壳为圆形铜制薄层平板且边缘设有向上的立边，所述基板为FR4材质的圆柱体或长方体且嵌入屏蔽外壳内。
所述电极之间设有屏蔽结构。
所述电极为PCB铜层。
本发明的有益效果是：能够检测介电常数不同程度各向异性，以实现传感器灵敏度在不同情况下均有比较均匀的分布，从而使PECT在各种介质中取得较佳的成像效果。
附图说明
图1是本发明的可旋转传感器整体结构示意图；
图2是本发明可旋转传感器侧视示意图；
图3是本发明传感器俯视示意图；
图4是本发明传感器仰视示意图；
图5是本发明传感器部件构成示意图；
图6是本发明传感器工作原理示意图；
图7是本发明电极旋转作用添加前后的灵敏度分布灰度图。
图中：
1、PCB铜层电极 1-1、外圈电极 1-2、内圈电极
2、基板 3、固定端帽 3-1、中心轴
4、旋转位置指示片 5、屏蔽外壳 6、套筒
7、初始位置指示片 8、终止位置指示片
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1至图4所示，传感器的主体包括16个铜层电极测量通道1，基板2，固定在基板2上的中心轴3-1，固定端帽3，固定在端帽3上的位置指示片4，屏蔽外壳5，固定在屏蔽外壳上的套筒6、初始位置指示片7与终止位置指示片8。
旋转机构包括固定在基板上的中心轴3-1，固定端帽3以及固定在固定端帽3上的旋转位置指示片4。旋转时旋动固定端帽带动中心轴、基板与电极旋转。手动旋转端帽，位置指示片与中心轴转动，从而带动带有测量电极阵列的基板旋转。
电极阵列为以基板中心为原点形成的若干等夹角分布的扇形区域，测量通道为在扇形区域交错排列的扇形外圈电极和内圈电极，外圈电极的扇形内弧与内圈电极的扇形外弧之间设有间隙。
以基板中心圆半径为第一半径，即扇形内圈电极内圆弧距原点距离为3mm，以扇形内圈电极外弧距原点距离31.12mm为第二半径，以扇形外圈电极内弧距原点32.12mm为第三半径，以扇形外圈电极外弧距原点距离45mm为第四半径。内圈电极由第一半径与第二半径圆的部分圆弧与部分半径构成，外圈电极由第三半径第四半径圆的部分圆弧与部分半径构成。内外圈电极面积相同。电极1为PCB铜层，基板2为FR4材质。屏蔽外壳为铜制薄层，初始位置指示片7与终止位置指示片8之间的夹角为45°，位置指示片4的圆心角为22.5°。
如图5所示的传感器各部分结构示意图，旋动固定端帽3，带动旋转位置指示片4与固定在基板上的中心轴3-1旋转，从而带动设有测量通道的基板旋转，旋转位置指示片由贴近初始位置指示片7旋转至贴近终止位置指示片8处，实现22.5°的旋转。电极1的占空比为1:1，使得电极与极间间隙的面积相同，因此介电常数各向异性无论强弱均可在传感器接近一半的场域获得较高的灵敏度。
如图6所示的传感器工作原理示意图，测量时计算机、单片机与LCR表均处于开启状态，单片机与LCR表控制程序基于Qt开发。测量电极阵列1的16个通道通过中心轴由导线分别连接至开关单元的16个开关一侧，LCR表连接至开关另一侧。测量时计算机首先与单片机、LCR表实现通讯，然后计算机向单片机发送控制指令，将测量通道1与LCR表激励连接，测量通道2与LCR表测量连接获取一个测量数C12，之后断开测量通道2的连接，将测量通道3连接至LCR表测量端获取测量数C13，……。当测量通道1做激励时共获取15组测量数。将测量通道1与激励端断开，测量通道2与激励端连接，测量通道3与激励端接通获取测量数C23，……。以此类推，一次测量完时共获得120个测量数。第一次测量完成后，旋动固定端帽，使电极旋动22.5°，再进行一次测量，两次测量共获得240个测量数。
如图7所示的添加旋转前后的灵敏度分布示意图，被测物模拟碳纤维复合材料，纤维轴向介电常数设置为2160，径向介电常数为1640。旋转过后，在原先电极所处的区域变为间隙，而间隙所在的区域变为电极。因此灵敏度在各处分布变得更加均匀，即更多区域的介质分布在图像重建时能够得到较好的反映。
本实施例中测量通道为16个，但本发明亦可以采用其他测量通道数，如4,8,12等。
本实施例中电极圈数一共为2圈，但本发明亦可采用其他圈数设置，如1,3,4等。
本实施例中电极的占空比为1：1，但本发明亦可以采用其他占空比设置，如1：2,2:1等。
本实施例中的中心间隙半径为3mm，两圈电极之间间隙为1mm，但本发明亦可以采用其他间隙大小设置。
本实施例中仅设置了外壳屏蔽，但本发明亦可以加入电极之间的屏蔽。
本实施例中基板为圆柱体，但本发明基板亦可以采用其他形状，如长方体。
本实施例中传感器为PCB铜层电极，但本发明也可以采用其他材质的电极。
本实施例中旋转机构为嵌套圆柱体结构，但本发明也可以采用其他形状的传动机构。
本实施例中的被测物为碳纤维复合材料，但本发明也可以用于各向异性程度各异的被测物。
本实施例中初始位置指示片与终止位置指示片之间夹角为45°，但本发明也可以采用其他夹角值。
本实施例中旋转角度为22.5°，但本发明也可以采用其他旋转角度，如11.25°，33.75°等。
在本实施例中传感器仅旋转1次，但本发明也可以采用其他旋转次数设置，如2,3,4等。
以上对本发明进行示意性描述，并不局限于此，附图中所示只有是本发明的实施方式之一，若本领域研究人员在不脱离本发明宗旨的情况下，提出与该技术方案相似的结构形式，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可旋转的平面电容层析成像传感器，其特征是：包括平面电容测量电极阵列、基板、屏蔽外壳、套筒、旋转机构、初始位置指示片与终止位置指示片,所述平面电容测量电极阵列设置在基板上平面形成测量通道，所述基板、屏蔽外壳、套筒依次通过旋转机构连接。
2.根据权利要求1所述的一种可旋转的平面电容层析成像传感器，其特征是：所述旋转机构包括设置在基板下平面连接的中心轴、套筒、固定端帽，所述套筒上设有初始位置指示片和终止位置指示片，所述固定端帽上固定有旋转位置指示片，所述旋转中心轴依次穿过屏蔽外壳的中心孔、套筒与固定端帽连接，所述初始位置指示片与终止位置指示片之间夹角为45°设置。
3.根据权利要求1所述的一种可旋转的平面电容层析成像传感器，其特征是：所述电极阵列为以基板中心为原点形成的若干等夹角分布的扇形区域，所述测量通道为在扇形区域交错排列的扇形外圈电极和内圈电极，外圈电极的扇形内弧与内圈电极的扇形外弧之间设有间隙。
4.根据权利要求3所述的一种可旋转的平面电容层析成像传感器，其特征是：所述扇形外圈电极和内圈电极交错排列的占空比为1:1或1：2或2:1。
5.根据权利要求3所述的一种可旋转的平面电容层析成像传感器，其特征是：所述扇形外圈电极和内圈电极表面积相同。
6.根据权利要求3所述的一种可旋转的平面电容层析成像传感器，其特征是：所述测量通道为16个铜层电极。
7.根据权利要求3所述的一种可旋转的平面电容层析成像传感器，其特征是：所述间隙为1mm。
8.根据权利要求1所述的一种可旋转的平面电容层析成像传感器，其特征是：所述屏蔽外壳为圆形铜制薄层平板且边缘设有向上的立边，所述基板为FR4材质的圆柱体或长方体且嵌入屏蔽外壳内。
9.根据权利要求1所述的一种可旋转的平面电容层析成像传感器，其特征是：所述电极之间设有屏蔽结构。
10.根据权利要求1所述的一种可旋转的平面电容层析成像传感器，其特征是：所述电极为PCB铜层。
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