CN1174244C - 一种方形电容层析成象传感器 - Google Patents

Abstract

一种方形电容层析成象传感器，包括由框架、外置测量电极、内置测量电极、隔离电极、驱动护极、端屏蔽和屏蔽框组成，隔离电极、端屏蔽与屏蔽框连接成一体，测量电极平贴在方形框架表面，设置在测量区域框架外部；隔离电极设置在测量电极之间，其设置方向与测量电极垂直，位于四个角上的隔离电极大于其它隔离电极，且与屏蔽框直接连接；屏蔽框将传感器所有电极包围于内。该方形传感器可以很方便地使用在方形测量区域。

Description

一种方形电容层析成象传感器

技术领域

本发明属于一种传感器，具体地说涉及一种为电容层析成象(Electrical Capacitance Tomography，简称ECT)***的方形电容层析成象传感器(Rectangular Sensor)。

背景技术

ECT是测量多相(如气体—固体，气体—液体，液体—固体，以及气、液、固体的气体混合体等)物质分布的一种方法和仪器。其中传感器围绕被测量空间设置电极极板，ECT则测量极板间形成的电容。这些电容受被测区间里测量物质位置和/或浓度分布的变化而发生变化，根据这些电容值，ECT通过成象方法得出被测区域中的物体浓度分布。

在本发明以前，所用的电容层析成象传感器均是圆形的，而在实际应用中应经常会遇到方形测量区域，比如循环流化床，对于圆形传感器来说，则无法进行测量。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种方形电容层析成象传感器，该传感器可以很方便地用于方形区域的测量。

为实现上述目的，本发明提供的一种方形电容层析成象传感包括有：

一方形框架上平贴设置有测量电极、隔离电极及端屏蔽，且有一方形屏蔽框将方形框架与传感器所有电极包围于内；

各测量电极之间均由隔离电极隔离开，且各测量电极与各隔离电极之间有一间隔。

方形框架测量区域外侧表面均等分地平贴设置有外置测量电极。

方形框架测量区域中间位置设置有内置测量电极，该内置测量电极呈方形结构或十字形结构。

方形内置测量电极均等分地平贴设置于内置框架的内侧面，内置屏蔽框位于内置框架的内部，且小于内置框架。

十字形内置测量电极夹设于内置框架中。

测量电极宽度按下式计算：

$w=\frac{L}{m/4+1}$

式中：w为每一个测量电极的宽度，L为测量区域宽度，m为传感器电极总数。

位于四个角上的隔离电极其宽度与其它隔离电极宽度比例为2∶1。

测量电极可以是8电极、12电极或16电极。

隔离电极与端屏蔽连接为一体，且通过导线与屏蔽框连接。

测量电极的序号安排与敏感场的计算一致，为从靠近任意一个角点的电极开始，按顺时针或逆时针顺序编号。

本发明电场计算公式为拉普拉斯方程：

ε为介质的介电常数。

离散计算的边界条件为：当电极作为激励电极时，其边界设为激励电压值，其余电极电压为0。对各电极进行检测方式与圆形传感器类似，相邻电极的增益为低增益，其余为高增益。实验测量时，首先第一号电极作为激励源，其余为检测电极，以12电极传感器为例，检测出11个电容，然后第二号电极作为激励，检测10个电容值，按照这样的方式，共检测出 $C_{12}^2=\frac{12\×(12-1)}{2}=66$ 个电容值。激励与检测通过计算机将控制信号送入采集电路，进而控制传感器电极的激励与检测状态。

本发明主要由测量电极、隔离电极、端屏蔽和屏蔽框组成，测量电极和隔离电极的宽度和长度根据具体的测量实例优化选取，选取方法如下：测量电极和隔离电极长度等于方形测量区域的宽度70％至100％，电极宽度用如下方法确定(以12电极传感器为例，其余传感器类似)：将方形测量区域的一个侧面均分4等分(按公式： $w=\frac{L}{m/4+1}$ 计算，式中：w为每一个测量电极的宽度，L为测量区域宽度，m为测量电极总数)，测量电极宽度与每一等分相等，隔离电极宽度取一等分的十分之一。端屏蔽理论长度要大于电极长度。对于不同的传感器，电势分布和敏感场的分布要单独计算得出。在制作过程中，隔离电极与端屏蔽有机地连接为一整体，同外部的屏蔽框通过导线连接起来，与电极完全隔离开。信号线的一端与电极连接，另一端与端屏蔽连接，采集到的信号通过控制电路传入计算机，至于将采集到的信号传入计算机是已知技术的范畴，本发明在此不作描述。

为增强测量区域信号强度，加强测量区域的敏感度，本发明还可以在测量区域中心部位，激励电压影响很弱的部位设置测量电极，为叙述上的方便，故称测量区域外侧表面设置的测量电极为外置测量电极，测量区域内设置的测量电极称为内置测量电，内置电极根据具体的测量实例可以选取十字交叉结构和方形结构两种形式。

内置测量电极为方形结构时，方形内置测量电极屏蔽框设置于框架内部，且小于框架；而十字形内置测测量电极不设置屏蔽框。

附图说明

下面以实施例结合附图对本发明作详细描述，其中：

图1为本发明具有驱动护极的16电极方形传感器侧视图；

图2为本发明取消驱动护极的16电极方形传感器侧视图；

图3为取消驱动护极的12电极方形传感器立体视图；

图4为图2沿a-a向剖面俯视图，显示本发明8电极方形传感器结构；

图5为12电极方形传感器的剖面俯视图；

图6为16电极方形传感器的剖面俯视图；

图7具有方形结构内置测量电极的16电极方形传感器的剖面俯视图；

图8a具有十字形结构内置测量电极的16电极方形传感器的剖面俯视图；

图8b为图8a沿b-b向局部剖视图，显示内置电极夹设于内置框架中结构；

图9为本发明的使用流程示意图。

图10所示为采用本发明测量三个静物成像的典型例子；

图11所示为采用本发明测量得到的循环流化床内底部的固体浓度和气泡分布。

具体实施方式

实施例1、请参阅图1，图1显示了16电极方形传感器的一个侧面，方形框架1为非导电材料制成，本实施例采用的是聚四氟乙烯，16个测量电极2均等分地平贴设置在方形框架1测量区域外侧的四个表面，每个表面上设有4个测量电极2，各测量电极2之间均由隔离电极3隔开，且各测量电极2与各隔离电极3之间有一间隔，所以每个表面设置有n+1个隔离电极3及具有2n个间隔，其中n为一个测量区域的表面上设置的测量电极数，具体结合到本实施例，有5个隔离电极和8个间隔。为了看的更清楚，请参阅图6，该图为本实施例16电极方形传感器沿图2中a-a向剖面俯视图。后叙的8电极及12电极传感器与该16电极的结构基本相同，不同的是在方形框架1测量区域外侧的每个表面为2电极与3电极，因此，8电极与12电极的侧视图就不再另外给出，只给出8电极、12电极方形传感器沿图2中a-a向剖面俯视图，分别为图4及图5。

各测量电极2与隔离电极3的长度均没有严格限定，可视需要根据传感器的长度而定，本实施例中传感器的长度为140mm，测量区域的每个表面宽度也为140mm，各测量电极与各隔离电极的长度为100mm；测量电极2的宽度按公式

$w=\frac{L}{m/4+1}$

计算，式中：w为每一个测量电极的宽度，L为测量区域宽度，m为测量电极总数)，以此，各测量电极2的宽度为28mm，各测量电极2与各隔离电极3之间有一间隔，本实施例中这一间隔为1.0mm，隔离电极3的宽度为4.0mm，位于四个角上的隔离电极3宽度与其它隔离电极3宽度的比例为2∶1，本实施例中位于四个角上的隔离电极宽度为8.0mm，隔离电极3与端屏蔽4连为一体，通过导线(图中未示)与屏蔽框5连接，屏蔽框5从图3中可以看出，位于框架1的外部，将方形框架1与传感器所有电极包围于内。

驱动护极6平贴设置在测量框架1表面、测量电极2的上、下位置，该驱动护极6用于改善测量区域电势分布的均匀特性，也可以不设置该驱动护极，图2所示为不设置驱动护极6的16电极方形传感器侧视图。

测量电极2的序号安排与敏感场的计算一致，为从靠近任意一个角点的电极开始，按顺时针或逆时针顺序编号，参看图4和图6，这两幅图显示的是从右上角开始，按顺时针方向顺序编号，图5显示的是从右下角开始，按逆时针方向顺序编号。

本发明制作的方形电容层析成象传感器外观如图3所示，该图为本发明不设置驱动护极6的12电极方形传感器立体视图，其框架1的每个表面设有3个测量电极2。

本发明制作的测量电极2、隔离电极3、端屏蔽4、屏蔽框5、驱动护极6等均为导电材料制作，本实施例采用的是铜箔。

实施例2、请参阅图7，图7为本发明具有方形结构内置测量电极的16电极方形传感器俯视图，内置测量电极2’共有4个电极，设置于传感器测量区域中间部位，为方形结构地平贴设置于内置框架1’内侧面，内置屏蔽框5’设置于内置框架1’内部，且小于内置框架1’，其余12个测量电极2均等分地平贴设置在方形框架1测量区域外侧的四个表面，每个表面有3个测量电极2，其序号从左下角开始，按逆时针方向顺序编号。本实施例2其余操作同实施例1。

实施例3、请参阅图8a，图8a为本发明具有十字形结构内置测量电极的16电极方形传感器俯视图，内置测量电极2”为十字交叉结构，设置于传感器测量区域中间部位并由隔离电极3”隔离开，该内置测量电极2”夹设于内置框架1”中，如图8b所示，其余12个测量电极2均等分地平贴设置在方形框架1测量区域外侧的四个表面，每个表面有3个测量电极2，其序号从左下角开始，按逆时针方向顺序编号。本实施例2其余操作同实施例1。

下面再给出传感器的测量实施例，用以说明本发明与背景技术相比所具有的有益的效果：

请参阅图9，图9为ECT测量***，其中虚线内为传感器，采集电路得到的数据通过PCI卡，送入计算机进行数据和图像处理；

1、静物成象

在传感器内设置物体，物***置保持不变，由传感器和电子采集***测量并通过软件成象，其中：

(a)三个圆柱；

(b)平铺的颗粒层与其上方安置的圆柱；

(c)对角铺设的颗粒层与中央安置的圆柱。

从图10中可以看出，成象的结果十分接近物体的原本分布。

2、循环流化床内底部的固体浓度和气泡分布：

循环流化床内的固体做急速运动，图11显示了固体颗粒和气体气泡的分布。其中黑色为气体，白色为固体。

Claims (10)

1、一种方形电容层析成象传感器，其特征在于：

一方形框架上平贴设置有测量电极、隔离电极及端屏蔽，且有一方形屏蔽框将方形框架与传感器所有电极包围于内；

各测量电极之间均由隔离电极隔离开，且各测量电极与各隔离电极之间有一间隔。

2、根据权利要求1所述的方形电容层析成象传感器，其特征在于，方形框架测量区域外侧表面均等分地平贴设置有外置测量电极。

3、根据权利要求1所述的方形电容层析成象传感器，其特征在于，方形框架测量区域中间位置设置有内置测量电极，该内置测量电极呈方形结构或十字形结构。

4、根据权利要求3所述的方形电容层析成象传感器，其特征在于，方形内置测量电极均等分地平贴设置于内置框架的内侧面，内置屏蔽框位于内置框架的内部，且小于内置框架。

5、根据权利要求3所述的方形电容层析成象传感器，其特征在于，十字形内置测量电极夹设于内置框架中。

6、根据权利要求1、3或4所述的方形电容层析成象传感器，其特征在于，其测量电极宽度按下式计算：

$w=\frac{L}{m/4+1}$

式中：w为每一个测量电极的宽度，L为测量区域宽度，m为传感器电极总数。

7、根据权利要求1所述的方形电容层析成象传感器，其特征在于，所述的位于四个角上的隔离电极其宽度与其它隔离电极宽度比例为2∶1。

8、根据权利要求1、3、4或5所述的方形电容层析成象传感器，其特征在于，所述的测量电极可以是8电极、12电极或16电极。

9、根据权利要求1或4所述的方形电容层析成象传感器，其特征在于，所述的隔离电极与端屏蔽连接为一体，且通过导线与屏蔽框连接。

10、根据权利要求1所述的方形电容层析成象传感器，其特征在于，所述的测量电极的序号安排与敏感场的计算一致，为从靠近任意一个角点的电极开始，按顺时针或逆时针顺序编号。

Images