一种集成式电容-超声层析成像传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了传感器设计领域的一种集成式电容-超声层析成像传感器。传感器包括电容层析成像传感器和超声层析成像传感器；电容层析成像传感器包括一个或多个测量电极模块；超声层析成像传感器由超声换能器阵列组成。该传感器环绕被测空间，其电容层析成像传感器测量部分测量空间内介电系数的分布；同时，超声层析成像传感器测量部分测量被测截面的超声传播速度分布。该传感器能够同时提供所测量的电容信号和超声信号，二者通过一种统一的图像重建算法，重建出所测量空间的火焰分布图像。
【专利说明】一种集成式电容-超声层析成像传感器
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器设计领域，尤其涉及一种集成式电容-超声层析成像传感器。
【背景技术】
[0002]燃烧过程中火焰的分布常常与燃烧的状态密切相关。例如火焰充满度，着火点，火焰的长度和张角等，是燃烧的重要参数。另外，燃烧中火焰的闪烁频率，也往往和燃烧的稳定性有关。因此，对于火焰的空间分布，以及闪烁频率的检测，是燃烧状态诊断和燃烧器研发等重要的方法和手段。
[0003]电容层析成像技术是随着计算机技术和检测技术的进步发展起来的新一代参数检测技术，其英文名称为Electric Capacitance Tomography,简称ECT。类似于为人熟知的医学CT，ECT以传感器件以电极阵列从外部环绕流动通道的被测截面，通过扫描的方式依次测定所有电极对之间的电容值。被测截面内物质分布的变化将造成所测电容值的相应变化，ECT则根据所测的电容值，通过图像重建的过程重建出被测截面内的物质分布。与医学CT相比，电容层析成像的速度领先数十倍甚至百倍以上，可以实现非稳态过程的实时测量，并且安全、经济、灵活；与光学测量相比，电容层析成像则不受设备透光性的影响。
[0004]ECT的测量对象可以是多种多样的，包括气-固两相流、气-液两相流、固-液两相流、具有不同介电系数的液-液两相流，以及固-液-气三相流等多相流。一个常见的应用对象是不同液体的管道中的相分布测量，例如采油工程中管道内的油-水两相流，或油-气-水三相流中油的截面分布乃至流量测量。由于ECT测量电极可以围绕测量空间的外围安装，所以ECT传感器本身不会对管道内的流动造成影响，是一种非介入式的测量技术；同时，ECT还能获得所测量的截面上的完整的物质分布图。
[0005]超声转换器或超声换能器，其英文名称是Ultrasonic Transducer,使用超转换器作为传感器，并综合运用声学原理中超声传播速度在不同介质中的显著差别以及声波传播速度与温度之间的关系，可以对截面物质分布和温度场分布进行图像重建，这种超声成像技术，是另一种新兴的非介入式成像技术。采用超声法可以测量管道内部的一个截面多相流分布，同时也可以测量气流或者液流甚至多相流的温度场，解决了热电偶对流场的干扰，同样对管道内流场不造成影响，同时改善了热电偶测量法实时性差的问题，并且解决了点测的片面性问题，可以全面得到该截面的温度分布，但是超声法对于多相流的测量成像效果并不如电容层析成像那么精确，但是，结合了超声法和电容层析成像的ECT-UST传感器，结合两种方法的优点，并利用统一的图像重建算法，可以完成对封闭通道或燃烧空间的火焰燃烧状况以及截面物质分布和温度分布的综合检测。
[0006]电容层析成像和超声层析成像，是两种各有侧重的测量方法，但是，这两种方法又有很多相似的地方，二者都是非介入式测量方式，对于测量空间的内部运动都几乎不造成影响，同时，这两种检测方式又可以使用统一的图像重建算法，因此，将这二者综合结合运用是一种非常理想的检测方案。
【发明内容】
[0007]针对【背景技术】中提到的在金属管道系统中，无法实现在不影响设备的结构和机械性能的同时，以不干扰流体流动的方式进行管道截面上相分布的测量的问题，本发明提出了一种集成式电容-超声层析成像传感器。
[0008]一种集成式电容-超声层析成像传感器，其特征在于，所述传感器包括电容层析成像传感器和超声层析成像传感器；所述电容层析成像传感器所在的平面与超声层析成像传感器所在的平面相互平行；超声层析成像传感器平行于电容层析成像传感器，与电容层析成像传感器相隔一定距离，环绕燃烧通道布置，电容层析成像传感器阵列紧贴燃烧通道的外壁，完全不影响通道内的所有状态；
[0009]所述电容层析成像传感器包括一个或多个测量电极模块；所述测量电极模块采用三层印制电路板的结构，包括内板、电极阵列板和外板；所述内板形成测量通道的内壁；所述电极阵列板的中间为非导电的材料的基板；所述基板朝向测量通道的一面为正面，布置测量电极、测量电极引线、测量电极之间的屏蔽电极以及测量电极两端的端部屏蔽电极；所述基板的另一面为背面，布置屏蔽电极；所述外板构成电容层析成像传感器外侧；
[0010]其中，所述测量电极之间的屏蔽电极、测量电极两端的端部屏蔽电极和基板背面的屏蔽电极通过穿过基板的导线连接；
[0011]所述超声层析成像传感器由超声换能器阵列组成；所述超声换能器阵列包括N个超声换能器，其中一个超声换能器作为发射装置，剩余的超声换能器作为接收装置。
[0012]所述多个测量电极模块组合时，所形成的形状包括闭合形状和非闭合性状；所述闭合性状包括圆形、椭圆形和矩形；所述非闭合形状包括槽形和半圆形。
[0013]所述多个测量电极模块组合时，在相邻两个测量电极模块之间安装模块间屏蔽电极，并将模块间屏蔽电极通过公共导线进行连接。
[0014]所述N个超声换能器在同一平面内以环形方式均匀布置。
[0015]本发明的有益效果是:
[0016](I)电容层析成像传感器的厚度极小，能够在不改变原有燃烧通道的情况下，把对流动的影响降到最小乃至于可以忽略的程度，从而形成一种能够不改变原有流动通道，而且不干扰通道内流动的层析成像传感器，由此可以解决常规的传感器需要替换部分原有管道或空间壁面材料的问题。
[0017](2)由于电容层析成像传感器测量电极表面上极薄的内板，内板的介电系数的影响显著降低，有助于提高传感器的测量灵敏度，减小误差，从而获得优良的测量性能。
[0018](3)超声层析成像传感器可以紧贴在被测空间的外壁上，利用超声波对固体极强的穿透力，超声波可以非常容易的透过壁面进入被测空间，超声波的这种特性，同样可以形成一种不改变原有燃烧通道，而且不干扰通道内流动的层析成像传感器，同样不用替换原有管道或空间的壁面。并且超声波检测精度极高，有助于获得良好的测量结果。
[0019](4)电容层析成像传感器整体厚度极小而具有很好的柔韧性，超声层析成像传感器阵列只用布置在壁面外，这样集成式电容-超声层析成像传感器可以具有各种尺寸并可在一定程度上进行形状的调整，从而具有对多种燃烧通道结构的非常灵活的适应性，使传感器可以灵活地布置在燃烧通道的任何位置，除了可以适应矩形管道的壁面，也可以较好地适应圆形的通道壁面。[0020](5)电容层析成像传感器由分立的模块组合而成，而各个模块可以根据现有的燃烧通道的尺寸分别设计(例如设计成不同的宽度而最后组成不同尺寸的矩形截面)，最后将所有模块在通道里进行组合。超声层析成像传感器阵列，只需按照需要平行于电容层析成像传感器布置于燃烧通道的外壁面即可。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明提供的电容层析成像传感器的电极阵列板的结构图；其中，(a)是电极阵列板的面向被测量通道的一面；(b)电极阵列板背向被测量通道的一面；
[0022]图2是本发明提供的超声层析成像传感器阵列中的一个传感器的布置方式放大图；
[0023]图3是本发明提供的由五个模块组合的集成式电容-超声层析成像传感器的详细结构图；其中，Ca)为传感器的顶视图；(b)为左侧视图；
[0024]图4是集成式电容-超声层析成像传感器在流动通道内的布置与数据采集仪器连接方式；
[0025]其中，1-电极阵列板；2_测量电极引线；3_测量电极；4_测量电极之间的屏蔽电极；5_测量电极两端的端部屏蔽电极；6_基板背面屏蔽电极；7_被测空间壁面；8_超声换能器；9_超声换能器引线；10_接地线；11_被测通道内部的电容层析成像传感器；12_模块间屏蔽电极；13_被测通道外部的电容层析成像传感器；14_燃烧测量空间；15_数据采集仪器。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0027]图1是本发明提供的电容层析成像传感器的电极阵列板的结构图；其中，(a)是电极阵列板的面向被测量通道的一面；(b)电极阵列板背向被测量通道的一面。其中，电极阵列板I的中间为非导电的材料的基板；所述基板朝向测量通道的一面为正面，布置测量电极3、测量电极引线2、测量电极之间的屏蔽电极4以及测量电极两端的端部屏蔽电极5 ;所述基板的另一面为基板背面屏蔽电极6。测量电极之间的屏蔽电极4、测量电极两端的端部屏蔽电极5和基板背面的屏蔽电极6通过穿过基板的导线连接；所述外板构成电容层析成像传感器外侧。
[0028]图2是本发明提供的超声层析成像传感器阵列中的一个传感器的布置方式放大图。其中，超声换能器8安装于被测空间壁面7，并通过超声换能器引线9连接信号发生仪；同时还通过接地线10进行接地。UST传感器阵列中的每一个传感器都是此种连接方式。
[0029]图3是本发明提供的由五个模块组合的集成式电容-超声层析成像传感器的详细结构图；其中，Ca)为传感器的顶视图；显示测试区侧面，分别包括被测通道内部的电容层析成像传感器11、模块间屏蔽电极12和被测通道外部的电容层析成像传感器13 ;在测量通道外部还安装有超声换能器8 ; (b)为左侧视图，显示传感器的左侧模块，以及上下模块。通过左视图，可以看到在位于燃烧测量空间14底层横截面上的传感器布置包括为被测通道内部的电容层析成像传感器11、测量电极引线2、被测通道外部的电容层析成像传感器13。被测通道内部的电容层析成像传感器11布置在平板型基座上面，以阵列的形式铺满整个基座，中央通孔为火焰通道,测量电极面对燃烧区内部,并由内部的电容层析成像传感器11、测量电极引线2连出；被测通道外部的电容层析成像传感器13，环绕火焰通道外壁一周，管内和管外电容层析成像传感器的布置基本相同；电极阵列板面向火焰通道的板面，简称内侧面，内侧面上布置测量电极，而测量电极间的屏蔽电极，端部屏蔽电极，以及测量电极引线2，布置在外侧面上，稍有区别的就是内部的电容层析成像传感器11的引线是穿透管壁连接出来的。超声层析成像传感器，以阵列的形式布置在火焰通道外壁一周，并与电容层析成像传感器截面平行，二者间距无明确要求，并且二者的工作过程不够成相互干扰。
[0030]图4是集成式电容-超声层析成像传感器在流动通道内的布置与数据采集仪器连接方式。
[0031]燃烧通道内、外安装该传感器的具体测量过程如下:
[0032](I)电容层析成像传感器分为两部分，被测通道内部的电容层析成像传感器11安装在基板上，将传感器紧贴基板内壁安装，被测通道外部的电容层析成像传感器13环绕在通道外围。如果需要，还可以将基板内壁稍加扩孔后再安装传感器。这样在传感器安装后内部整体可以十分平滑，确保不影响燃烧通道内部的原有状态。
[0033](2)超声层析成像传感器平行于电容层析成像传感器，与电容层析成像传感器相隔一定距离，环绕燃烧通道布置，电容层析成像传感器阵列紧贴燃烧通道的外壁，完全不影响通道内的所有状态。
[0034](3)测量前首先进行集成式电容-超声层析成像传感器测量的标定。标定过程与传统标定方法一致，即首先在传感器内没有火焰燃烧时测量所有电极对的各个电容值，同时超声换能器阵列每一对发射端与接收端的声速值作为空场标定；然后在恒温环境中(如在恒温箱中)升高温度时测量各个不同温度下的电容值与声波传播速度作为满场标定。然后记录所有测量电容与声速并在测量时用于图像重建。
[0035](5)开始设备的正常运行并用数据采集仪器15采集信号；
[0036](6)根据测量信号重建燃烧通道内的温度分布图像。
[0037]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种集成式电容-超声层析成像传感器，其特征在于，所述传感器包括电容层析成像传感器和超声层析成像传感器；所述电容层析成像传感器所在的平面与超声层析成像传感器所在的平面相互平行；超声层析成像传感器平行于电容层析成像传感器，与电容层析成像传感器相隔一定距离，环绕燃烧通道布置，电容层析成像传感器阵列紧贴燃烧通道的外壁，完全不影响通道内的所有状态； 所述电容层析成像传感器包括一个或多个测量电极模块；所述测量电极模块采用三层印制电路板的结构，包括内板、电极阵列板和外板；所述内板形成测量通道的内壁；所述电极阵列板的中间为非导电的材料的基板；所述基板朝向测量通道的一面为正面，布置测量电极、测量电极引线、测量电极之间的屏蔽电极以及测量电极两端的端部屏蔽电极；所述基板的另一面为背面，布置屏蔽电极；所述外板构成电容层析成像传感器外侧； 其中，所述测量电极之间的屏蔽电极、测量电极两端的端部屏蔽电极和基板背面的屏蔽电极通过穿过基板的导线连接； 所述超声层析成像传感器由超声换能器阵列组成；所述超声换能器阵列包括N个超声换能器，其中一个超声换能器作为发射装置，剩余的超声换能器作为接收装置。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述多个测量电极模块组合时，所形成的形状包括闭合形状和非闭合性状；所述闭合性状包括圆形、椭圆形和矩形；所述非闭合形状包括槽形和半圆形。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述多个测量电极模块组合时，在相邻两个测量电极模块之间安装模块间屏蔽电极，并将模块间屏蔽电极通过公共导线进行连接。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述N个超声换能器在同一平面内以环形方式均匀布置。
【文档编号】G01N27/22GK103439375SQ201310373305
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2013年8月23日
【发明者】刘石, 任思源 申请人:华北电力大学