專利名稱：一種方形電容層析成象傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種傳感器，具體地說(shuō)涉及一種為電容層析成象(Electrical Capacitance Tomography，簡(jiǎn)稱ECT)系統(tǒng)的方形電容層析成象傳感器(Rectangular Sensor)。
在本發(fā)明以前，所用的電容層析成象傳感器均是圓形的，而在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)經(jīng)常會(huì)遇到方形測(cè)量區(qū)域，比如循環(huán)流化床，對(duì)于圓形傳感器來(lái)說(shuō)，則無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種方形電容層析成象傳感包括有一方形框架上平貼設(shè)置有測(cè)量電極、隔離電極及端屏蔽，且有一方形屏蔽框?qū)⒎叫慰蚣芘c傳感器所有電極包圍于內(nèi)；各測(cè)量電極之間均由隔離電極隔離開，且各測(cè)量電極與各隔離電極之間有一間隔。
方形框架測(cè)量區(qū)域外側(cè)表面均等分地平貼設(shè)置有外置測(cè)量電極。
方形框架測(cè)量區(qū)域中間位置設(shè)置有內(nèi)置測(cè)量電極，該內(nèi)置測(cè)量電極呈方形結(jié)構(gòu)或十字形結(jié)構(gòu)。
方形內(nèi)置測(cè)量電極均等分地平貼設(shè)置于內(nèi)置框架的內(nèi)側(cè)面，內(nèi)置屏蔽框位于內(nèi)置框架的內(nèi)部，且小于內(nèi)置框架。
十字形內(nèi)置測(cè)量電極夾設(shè)于內(nèi)置框架中。
測(cè)量電極寬度按下式計(jì)算w=Lm/4+1]]>式中w為每一個(gè)測(cè)量電極的寬度，L為測(cè)量區(qū)域?qū)挾?，m為傳感器電極總數(shù)。
位于四個(gè)角上的隔離電極其寬度與其它隔離電極寬度比例為2∶1。
測(cè)量電極可以是8電極、12電極或16電極。
隔離電極與端屏蔽連接為一體，且通過(guò)導(dǎo)線與屏蔽框連接。
測(cè)量電極的序號(hào)安排與敏感場(chǎng)的計(jì)算一致，為從靠近任意一個(gè)角點(diǎn)的電極開始，按順時(shí)針或逆時(shí)針順序編號(hào)。
本發(fā)明電場(chǎng)計(jì)算公式為拉普拉斯方程 ε為介質(zhì)的介電常數(shù)。
離散計(jì)算的邊界條件為當(dāng)電極作為激勵(lì)電極時(shí)，其邊界設(shè)為激勵(lì)電壓值，其余電極電壓為0。對(duì)各電極進(jìn)行檢測(cè)方式與圓形傳感器類似，相鄰電極的增益為低增益，其余為高增益。實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，首先第一號(hào)電極作為激勵(lì)源，其余為檢測(cè)電極，以12電極傳感器為例，檢測(cè)出11個(gè)電容，然后第二號(hào)電極作為激勵(lì)，檢測(cè)10個(gè)電容值，按照這樣的方式，共檢測(cè)出C122=12×(12-1)2=66]]>個(gè)電容值。激勵(lì)與檢測(cè)通過(guò)計(jì)算機(jī)將控制信號(hào)送入采集電路，進(jìn)而控制傳感器電極的激勵(lì)與檢測(cè)狀態(tài)。
本發(fā)明主要由測(cè)量電極、隔離電極、端屏蔽和屏蔽框組成，測(cè)量電極和隔離電極的寬度和長(zhǎng)度根據(jù)具體的測(cè)量實(shí)例優(yōu)化選取，選取方法如下測(cè)量電極和隔離電極長(zhǎng)度等于方形測(cè)量區(qū)域的寬度70％至100％，電極寬度用如下方法確定(以12電極傳感器為例，其余傳感器類似)將方形測(cè)量區(qū)域的一個(gè)側(cè)面均分4等分(按公式w=Lm/4+1]]>計(jì)算，式中w為每一個(gè)測(cè)量電極的寬度，L為測(cè)量區(qū)域?qū)挾龋琺為測(cè)量電極總數(shù))，測(cè)量電極寬度與每一等分相等，隔離電極寬度取一等分的十分之一。端屏蔽理論長(zhǎng)度要大于電極長(zhǎng)度。對(duì)于不同的傳感器，電勢(shì)分布和敏感場(chǎng)的分布要單獨(dú)計(jì)算得出。在制作過(guò)程中，隔離電極與端屏蔽有機(jī)地連接為一整體，同外部的屏蔽框通過(guò)導(dǎo)線連接起來(lái)，與電極完全隔離開。信號(hào)線的一端與電極連接，另一端與端屏蔽連接，采集到的信號(hào)通過(guò)控制電路傳入計(jì)算機(jī)，至于將采集到的信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)是已知技術(shù)的范疇，本發(fā)明在此不作描述。
為增強(qiáng)測(cè)量區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度，加強(qiáng)測(cè)量區(qū)域的敏感度，本發(fā)明還可以在測(cè)量區(qū)域中心部位，激勵(lì)電壓影響很弱的部位設(shè)置測(cè)量電極，為敘述上的方便，故稱測(cè)量區(qū)域外側(cè)表面設(shè)置的測(cè)量電極為外置測(cè)量電極，測(cè)量區(qū)域內(nèi)設(shè)置的測(cè)量電極稱為內(nèi)置測(cè)量電，內(nèi)置電極根據(jù)具體的測(cè)量實(shí)例可以選取十字交叉結(jié)構(gòu)和方形結(jié)構(gòu)兩種形式。
內(nèi)置測(cè)量電極為方形結(jié)構(gòu)時(shí)，方形內(nèi)置測(cè)量電極屏蔽框設(shè)置于框架內(nèi)部，且小于框架；而十字形內(nèi)置測(cè)測(cè)量電極不設(shè)置屏蔽框。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1、請(qǐng)參閱

圖1，圖1顯示了16電極方形傳感器的一個(gè)側(cè)面，方形框架1為非導(dǎo)電材料制成，本實(shí)施例采用的是聚四氟乙烯，16個(gè)測(cè)量電極2均等分地平貼設(shè)置在方形框架1測(cè)量區(qū)域外側(cè)的四個(gè)表面，每個(gè)表面上設(shè)有4個(gè)測(cè)量電極2，各測(cè)量電極2之間均由隔離電極3隔開，且各測(cè)量電極2與各隔離電極3之間有一間隔，所以每個(gè)表面設(shè)置有n+1個(gè)隔離電極3及具有2n個(gè)間隔，其中n為一個(gè)測(cè)量區(qū)域的表面上設(shè)置的測(cè)量電極數(shù)，具體結(jié)合到本實(shí)施例，有5個(gè)隔離電極和8個(gè)間隔。為了看的更清楚，請(qǐng)參閱圖6，該圖為本實(shí)施例16電極方形傳感器沿圖2中a-a向剖面俯視圖。后敘的8電極及12電極傳感器與該16電極的結(jié)構(gòu)基本相同，不同的是在方形框架1測(cè)量區(qū)域外側(cè)的每個(gè)表面為2電極與3電極，因此，8電極與12電極的側(cè)視圖就不再另外給出，只給出8電極、12電極方形傳感器沿圖2中a-a向剖面俯視圖，分別為圖4及圖5。
各測(cè)量電極2與隔離電極3的長(zhǎng)度均沒(méi)有嚴(yán)格限定，可視需要根據(jù)傳感器的長(zhǎng)度而定，本實(shí)施例中傳感器的長(zhǎng)度為140mm，測(cè)量區(qū)域的每個(gè)表面寬度也為140mm，各測(cè)量電極與各隔離電極的長(zhǎng)度為100mm；測(cè)量電極2的寬度按公式w=Lm/4+1]]>計(jì)算，式中w為每一個(gè)測(cè)量電極的寬度，L為測(cè)量區(qū)域?qū)挾?，m為測(cè)量電極總數(shù))，以此，各測(cè)量電極2的寬度為28mm，各測(cè)量電極2與各隔離電極3之間有一間隔，本實(shí)施例中這一間隔為1.0mm，隔離電極3的寬度為4.0mm，位于四個(gè)角上的隔離電極4寬度與其它隔離電極4寬度的比例為2∶1，本實(shí)施例中位于四個(gè)角上的隔離電極寬度為8.0mm，隔離電極3與端屏蔽4連為一體，通過(guò)導(dǎo)線(圖中未示)與屏蔽框5連接，屏蔽框5從圖3中可以看出，位于框架1的外部，將方形框架1與傳感器所有電極包圍于內(nèi)。
驅(qū)動(dòng)護(hù)極6平貼設(shè)置在測(cè)量框架1表面、測(cè)量電極2的上、下位置，該驅(qū)動(dòng)護(hù)極6用于改善測(cè)量區(qū)域電勢(shì)分布的均勻特性，也可以不設(shè)置該驅(qū)動(dòng)護(hù)極，圖2所示為不設(shè)置驅(qū)動(dòng)護(hù)極6的16電極方形傳感器側(cè)視圖。
測(cè)量電極2的序號(hào)安排與敏感場(chǎng)的計(jì)算一致，為從靠近任意一個(gè)角點(diǎn)的電極開始，按順時(shí)針或逆時(shí)針順序編號(hào)，參看圖4和圖5，這兩幅圖顯示的是從右上角開始，按順時(shí)針?lè)较蝽樞蚓幪?hào)，圖6顯示的是從右下角開始，按逆時(shí)針?lè)较蝽樞蚓幪?hào)。
本發(fā)明制作的方形電容層析成象傳感器外觀如圖3所示，該圖為本發(fā)明不設(shè)置驅(qū)動(dòng)護(hù)極6的12電極方形傳感器立體視圖，其框架1的每個(gè)表面設(shè)有3個(gè)測(cè)量電極2。
本發(fā)明制作的測(cè)量電極2、隔離電極3、端屏蔽4、屏蔽框5、驅(qū)動(dòng)護(hù)極6等均為導(dǎo)電材料制作，本實(shí)施例采用的是銅箔。
實(shí)施例2、請(qǐng)參閱圖7，圖7為本發(fā)明具有方形結(jié)構(gòu)內(nèi)置測(cè)量電極的16電極方形傳感器俯視圖，內(nèi)置測(cè)量電極2’共有4個(gè)電極，設(shè)置于傳感器測(cè)量區(qū)域中間部位，為方形結(jié)構(gòu)地平貼設(shè)置于內(nèi)置框架1’內(nèi)側(cè)面，內(nèi)置屏蔽框5’設(shè)置于內(nèi)置框架1’內(nèi)部，且小于內(nèi)置框架1’，其余12個(gè)測(cè)量電極2均等分地平貼設(shè)置在方形框架1測(cè)量區(qū)域外側(cè)的四個(gè)表面，每個(gè)表面有3個(gè)測(cè)量電極2，其序號(hào)從左下角開始，按逆時(shí)針?lè)较蝽樞蚓幪?hào)。本實(shí)施例2其余操作同實(shí)施例1。
實(shí)施例3、請(qǐng)參閱圖8a，圖8a為本發(fā)明具有十字形結(jié)構(gòu)內(nèi)置測(cè)量電極的16電極方形傳感器俯視圖，內(nèi)置測(cè)量電極2”為十字交叉結(jié)構(gòu)，設(shè)置于傳感器測(cè)量區(qū)域中間部位并由隔離電極3”隔離開，該內(nèi)置測(cè)量電極2”夾設(shè)于內(nèi)置框架1”中，如圖8b所示，其余12個(gè)測(cè)量電極2均等分地平貼設(shè)置在方形框架1測(cè)量區(qū)域外側(cè)的四個(gè)表面，每個(gè)表面有3個(gè)測(cè)量電極2，其序號(hào)從左下角開始，按逆時(shí)針?lè)较蝽樞蚓幪?hào)。本實(shí)施例2其余操作同實(shí)施例1。
下面再給出傳感器的測(cè)量實(shí)施例，用以說(shuō)明本發(fā)明與背景技術(shù)相比所具有的有益的效果請(qǐng)參閱圖9，圖9為ECT測(cè)量系統(tǒng)，其中虛線內(nèi)為傳感器，采集電路得到的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI卡，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像處理；表1是三個(gè)靜物成象的典型測(cè)量例子；表2是循環(huán)流化床內(nèi)底部的固體濃度和氣泡分布；表3是循環(huán)流化床上升段的環(huán)-核固體氣體濃度分布。
1、靜物成象在傳感器內(nèi)設(shè)置物體，物體位置保持不變，由傳感器和電子采集系統(tǒng)測(cè)量并通過(guò)軟件成象，其中(a)三個(gè)圓柱；(b)平鋪的顆粒層與其上方安置的圓柱；(c)對(duì)角鋪設(shè)的顆粒層與中央安置的圓柱。
從圖10中可以看出，成象的結(jié)果十分接近物體的原本分布。
2、循環(huán)流化床內(nèi)底部的固體濃度和氣泡分布循環(huán)流化床內(nèi)的固體做急速運(yùn)動(dòng)，圖11顯示了固體顆粒和氣體氣泡的分布。其中黑色為氣體，白色為固體。
3、循環(huán)流化床上升段的環(huán)-核固體氣體濃度分布在圖12中可以看到，固體的分布主要集中于周邊一圈。
權(quán)利要求
1.一種方形電容層析成象傳感器，其特征在于一方形框架上平貼設(shè)置有測(cè)量電極、隔離電極及端屏蔽，且有一方形屏蔽框?qū)⒎叫慰蚣芘c傳感器所有電極包圍于內(nèi)；各測(cè)量電極之間均由隔離電極隔離開，且各測(cè)量電極與各隔離電極之間有一間隔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，方形框架測(cè)量區(qū)域外側(cè)表面均等分地平貼設(shè)置有外置測(cè)量電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，方形框架測(cè)量區(qū)域中間位置設(shè)置有內(nèi)置測(cè)量電極，該內(nèi)置測(cè)量電極呈方形結(jié)構(gòu)或十字形結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，方形內(nèi)置測(cè)量電極均等分地平貼設(shè)置于內(nèi)置框架的內(nèi)側(cè)面，內(nèi)置屏蔽框位于內(nèi)置框架的內(nèi)部，且小于內(nèi)置框架。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，十字形內(nèi)置測(cè)量電極夾設(shè)于內(nèi)置框架中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4或所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，其測(cè)量電極寬度按下式計(jì)算w=Lm/4+1]]>式中w為每一個(gè)測(cè)量電極的寬度，L為測(cè)量區(qū)域?qū)挾?，m為傳感器電極總數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，所述的位于四個(gè)角上的隔離電極其寬度與其它隔離電極寬度比例為2∶1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4或5所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，所述的測(cè)量電極可以是8電極、12電極或16電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，所述的隔離電極與端屏蔽連接為一體，且通過(guò)導(dǎo)線與屏蔽框連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方形電容層析成象傳感器，其特征在于，所述的測(cè)量電極的序號(hào)安排與敏感場(chǎng)的計(jì)算一致，為從靠近任意一個(gè)角點(diǎn)的電極開始，按順時(shí)針或逆時(shí)針順序編號(hào)。
全文摘要
一種方形電容層析成象傳感器，包括由框架、外置測(cè)量電極、內(nèi)置測(cè)量電極、隔離電極、驅(qū)動(dòng)護(hù)極、端屏蔽和屏蔽框組成，隔離電極、端屏蔽與屏蔽框連接成一體，測(cè)量電極平貼在方形框架表面，設(shè)置在測(cè)量區(qū)域框架外部；隔離電極設(shè)置在測(cè)量電極之間，其設(shè)置方向與測(cè)量電極垂直，位于四個(gè)角上的隔離電極大于其它隔離電極，且與屏蔽框直接連接；屏蔽框?qū)鞲衅魉须姌O包圍于內(nèi)。該方形傳感器可以很方便地使用在方形測(cè)量區(qū)域。
文檔編號(hào)G01R27/26GK1395093SQ0112020
公開日2003年2月5日 申請(qǐng)日期2001年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月6日
發(fā)明者劉石, 楊五強(qiáng), 王海剛, 姜凡 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所