差分式电容层析成像传感器及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种差分式电容测量方法，特别是一种采用差分式电容层析成像传感 器及测量方法。
【背景技术】
[0002] 电容层析成像巧lectrical Capacitance Tomography, ECT)系统依赖布置于被 测场域边界的阵列电极获取一系列的电容测量值，并利用电容测量值与被测场域内介质分 布之间的关系进行图像的重建，得到被测场域内介质分布图像。传感器是ECT系统信息的 源泉。通常ECT传感器的电极个数为8、12或16个电极每层，并可在轴向上构成多层结构； 且实施电容测量时，检测各个测量电极对之间的电容值。该种情况下，有效的电容测量数为 n(n-l)/2个，其中n为电极个数。当电极个数为12时，有效的测量数仅为66个。ECT多用 于工业管道测量，传感器截面为圆形，电极均匀分布于圆周。由于传感器的结构特点，使得 各电极对之间的电容数值差别很大。W 12电极ECT传感器为例，相邻电极之间的电容、相 对电极之间的基础电容值巧CT称为空场值）分别为0. 5pF、0. OlpF。此外，ECT测量主要 为获得电容变化量而非电容的绝对数值。但是，实际测量中，电容基础值又远高于电容变化 量，仅为0. 1?100巧。该就要求ECT测量电路具有很高的动态测量范围和测量精度。
[0003] ECT图像重建所需数据为电容变化量，电容基础值对图像重建结果并无影响。消除 电容基础值可有效的降低被测电容的动态范围，有助于提高ECT系统的性能。相邻电极之 间电容远大于其他电极对的电容，可相差10倍W上，在实践中往往放弃测量相邻电极电容 值，W减少被测电容的动态测量范围；然而，该种做法进一步减少电容测量数据，无益于提 高ECT图像重建质量。径向屏蔽电极可有效降低相邻电极之间的电容基础值，并已在ECT传 感器设计中广泛使用。径向屏蔽电极是在各测量电极之间嵌入接地屏蔽电极，隔断相邻电 极在成像区域外侧电场线，从而减少电容值。从测量的角度考虑，径向屏蔽电极有益无害， 但在传感器制作比较困难。而且，相邻电极在成像区域及绝缘管道内仍有电场线相连，由于 空气的相对介电常数为1，仍会有相当大的电容基础值。
【发明内容】
[0004] 针对上述技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种差分式电容层析成像传感 器及测量方法，利用差分传感器电极对的电容抵消测量电极对的电容基础值，使ECT检测 电路可直接测量电容变化量，从而达到降低被测电容动态范围、提高电容测量精度的效果。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种差分式电容层析成像传感 器，其中：该传感器包括有测量电极、差分电极、绝缘管道、外屏蔽层、保护电极，所述外屏蔽 层设于绝缘管道的外部，所述测量电极、差分电极多个成对对称均匀分布于绝缘管道与外 屏蔽层之间相连，所述测量电极紧贴于绝缘管道上，在绝缘管道上部及下部均设有保护电 极，上部及下部的保护电极均对应有一个测量电极；测量电极同样与差分电极成n对出现； 每对测量电极与差分电极通过由电子开关S1?S8构成的开关网络连接至开关网络的正向 正弦电压信号源、负向正弦电压信号源或运算放大器；所述运算放大器与反馈电阻、反馈电 容构成电流/电压转换器，并将流入运算放大器反向输入端的电流转换为输出电压。
[0006] 同时提供一种上述差分式电容层析成像传感器的测量方法。
[0007] 本发明的效果是由于差分电极对的电容可抵消测量电极对之间的电容基础值，电 容测量电路直接检测各测量电极对电容相对于其电容基础值的变化量，使得被测电容的动 态范围降低为原来的20%?50% ;进一步降低了对电容测量电路动态测量范围的要求，可 简化电路设计，摇高系统信啜比12地。
【附图说明】
[000引图1是本发明的差分式电容层析成像传感器的纵截面视图；
[0009] 图2是图1的A-A剖视图；
[0010] 图3是检测电路原理示意图。
[0011] 图中；
[0012] 1、外屏蔽层2、测量电极3、差分电极4、绝缘管道
[0013] 5、保护电极6、输出电压7、正向正弦电压信号源
[0014] 8、反向正弦电压信号源9、运算放大器
【具体实施方式】
[0015] 结合附图及实施例对本发明的差分式电容层析成像传感器及测量方法加W说明。
[0016] 本发明的差分式电容层析成像传感器及测量方法利用差分式电容层析成像传感 器实现差分式测量。
[0017] 本发明的差分式电容层析成像传感器，该传感器包括有测量电极2、差分电极3、 绝缘管道4、外屏蔽层1、保护电极5,所述外屏蔽层1设于绝缘管道4的外部，所述测量电极 2、差分电极3多个成对对称均匀分布于绝缘管道4与外屏蔽层1之间相连，所述测量电极 2紧贴于绝缘管道4上，在绝缘管道4上部及下部均设有保护电极5,上部及下部的保护电 极5均对应有一个测量电极2 ;测量电极2同样与差分电极3成n对出现海对测量电极2 与差分电极3通过由电子开关S1?S8构成的开关网络连接至开关网络的正向正弦电压信 号源7、负向正弦电压信号源8或运算放大器9 ;所述运算放大器9与反馈电阻Rf、反馈电容 Cf构成电流/电压转换器，并将流入运算放大器9反向输入端的电流转换为输出电压6。 [001引所述测量电极2、差分电极3至少为四对。所述测量电极2、差分电极3至少设置 一层。所述保护电极5至少设置一层。
[0019] 图1所示为本发明的差分式电容层析成像传感器的纵截面视图，所述差分式电容 层析成像传感器的主体包括有外屏蔽层1、8个测量电极2、8个差分电极3、绝缘管道4及其 上、下部各8个保护电极5。测量电极2与差分电极3成对出现，差分电极3位于测量电极 2外侧，均匀分布于绝缘管道4轴向的外围。在每个测量电极2的上、下方各对应设置一个 保护电极5。
[0020] 图2为图1中A处的横截剖面视图。差分式电容层析成像传感器工作时，其中一 测量电极2处于正相激励状态；与此测量电极2对应的差分电极3处于反相激励状态。其 余7个测量电极2分别与对应的差分电极3通过模拟电子开关实现电气相连，处于虚地