一种可变电容的层析成像传感器的制作方法

本发明属于电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)领域，具体涉及一种层析成像传感器。

背景技术：
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ECT是一种用于测量并显示被测区域内两种或多种混合绝缘(非导电)材料的分布状况的技术，这些材料包括：石油，天然气，塑料高分子聚合物，玻璃等，当ECT传感器测量管壁为绝缘材料时，就能够以非侵入，非接触式的测量方式完成数据采集与图像重组的任务。其基本原理与结构为：利用一组多极板(金属导电材料)围绕于测量管道内壁或外壁，并对每一对独立电极对进行测量；根据测量得到的独立电容值，推导计算管内混合物质的电容率分布。

由于所测量的管内混合物质的各成分的分布需要ECT传感器进行测定，而混合物质的成分分布的测量精度与测量电容值和电极占空比有关。通常ECT传感器的阵列电极为固定式，即电极个数固定，多为8，12个，尺寸固定，电容大小和占空比不可调整，故传感器难达到理想的测量精度。

技术实现要素：
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本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种可变电容的层析成像传感器。本发明的传感器，具有外置和内置电极层，其中内置层可相对外置层轴向旋转和拉伸，以在无需改变当前传统的数据采集软硬件系统的情况下，达到与被测混合物成分分布相适应的测量电容和电极占空比，进而可以提高ECT成像质量。本发明的技术方案如下：

一种可变电容的层析成像传感器，包括外置电极层和内置电极层，两电极层呈现同轴布置的两层圆筒形管结构，其中，内置电极层的管壁外表面均匀嵌入n个电极，外置电极层的内壁均匀布置有n个电极；外置电极层和内置电极层，一层固定，另一层可沿其轴向平移和旋转，旋转时，内置电极层的n个电极的外侧分别与外置电极层的n个电极内侧接触，以改变电极的占空比和面积；在内置电极层和外置电极层电极接触时，一层固定，另一层沿其轴向平移，从而改变电极的面积。

优选地，外置电极层固定，内置电极层的角位移使用伺服电机来精确控制。内置电极层安装在内置电极层安装座上，伺服电机的转轴与连杆一端铰接，连杆另一端与设置在内置电极层外环面上的通孔铰接，然后穿过设置在内置电极层安装座上的环形孔，内置电极层、伺服电机、连杆和内置电极层安装座形成四连杆机构，实现内置电极层绕自身轴线旋转，内置电极层安装座上的环形孔能够限制连杆的末端的摆动，进而限制内置电极层的旋转范围。

在底座上设置有滑槽，滑槽与内置电极层和外置电极层的轴向相平行，固定内置电极层的安装座在伺服电动推杆的作用能够沿着滑槽移动。

本发明的效果是采用同轴双层圆筒形管结构的传感器，内置电极层沿轴向相对外置电极层旋转，可使电极的占空比在一定范围内连续变化，同时使电极面积发生变化；进一步通过内置电极层轴向平移，使电极面积连续调整。通过内置电极层的旋转和平移，实现电极占空比和面积的独立连续调整，达到电极占空比和测量电容值连续独立调整的目的。

附图说明：

图1为本发明的可变电容传感器的总体结构示意图

图2为本发明的内置电极层结构示意图

图3为本发明的外置电极层结构示意图

图4为本发明的内置电极层安装座

图5为本发明的内置电极层、内置电极层安装座、伺服电机和连杆组成的四连杆伺服旋转机构

图6为本发明的可变电容传感器的初始位置示意图

图7为本发明的内置电极层沿轴向旋转一定角度后的传感器轴测图

图8为本发明的内置电极层沿轴向移动一定距离后的传感器轴测图

图9为本发明的内置电极层旋转一定角度并轴向移动一定距离后的传感器轴测图

附图标记说明如下：1、底座2、外置电极层3、内置电极层安装座4、内置电极层5、伺服电动推杆6、伺服电机7、连杆8、内置电极层嵌入电极9、内置电极层圆管10、外置电极层内壁电极11、外置电极层圆管

具体实施方式：

结合附图及实施例对本发明的可变电容的层析成像传感器的结构及原理予以说明。

本发明的传感器由底座1、外置电极层2、内置电极层安装座3、内置电极层4、伺服电动推杆5、伺服电机6、连杆7组成。内置电极层4由嵌入管壁的12个电极8和圆管9组成，外置电极层2由其内壁均匀布置的12个电极10和圆管11和组成。内置电极层4、伺服电机6、连杆7均安装在内置电极层安装座3上，其中内置电极层4套装在内置电极层安装座3上，能够绕其自身轴线旋转，伺服电机6固定在内置电极层安装座3，伺服电机6的转轴与连杆7一端铰接，连杆7另一端与内置电极层外环面上的一个通孔铰接再穿过内置电极层安装座上的环形孔。

铰接，从而使内置电极层4、伺服电机6、连杆7和内置电极层安装座3形成四连杆机构，实现内置电极层4绕自身轴线旋转，内置电极层安装座3上的环形孔能够限制连杆7的末端的摆动，进而限制内置电极层4的旋转范围。外置电极层2固定在底座1上，在底座1上设置有滑槽，滑槽与内置电极层和外置电极层的轴向相平行，内置电极层安装座3能够沿着滑槽移动，内置电极层4和外置电极层2同轴，内置电极层安装座3能够在伺服电动推杆5的推动下沿外置电机层2的轴线移动，从而实现外置电极层2和内置电极层4的相对位移。通过上述结构，使外置电极层2和内置电极层4共轴形成圆柱副。内置电极层4其上的12个电极8的外侧可分别与外置电极层2的12个电极10内侧接触，通过两电极层相对移动和旋转，改变电极的占空比和面积。两电极层的相对移动和旋转分别通过伺服电动推杆和伺服电机精确控制，实现对电极的占空比和面积的精确调节。

外置电极层2的圆管11和内置电极层4的圆管9均采用有机玻璃或非导电性材料制作。

外置电极层2的内壁电极10和内置电极层4的嵌入电极8均采用可导电的金属薄片制作。

外置电极层2的内壁电极10形状为矩形，粘贴于圆管11的内壁，并通过导线引出，该电极10既作为激励电极也作为测量电极，测量方式和数据采集方式均与常用的ECT传感器一样。

内置电极层4的嵌入电极8形状为矩形，有一定厚度，贯穿于圆管9，电极8的外侧与电极10接触时，等效电极并联，当电极10作为激励电极或测量电极时，与电极10相接触的电极8的内侧等效为相应的激励电极或测量电极。

以电极占空比为70％、电极宽为12mm、电极长为36mm为例说明可变电容传感器的原理。电极8和电极10均采用宽为12mm和长为36mm的矩形电极，其材质为可导电的金属薄片。内置电极层4在伺服电机6的控制下连续旋转，当达到如图7所示位置时，内置电极层4的嵌入电极8的外侧与外置电极层2的内壁电极10接触，电极8和电极10等效并联为一个电极，该等效电极的宽为16mm，长仍为36mm。此时，等效电极的占空比达到93％，电极面积增大约1.3倍；同理当内置电极层4在伺服电动推杆5的控制下沿轴向移动到如图8所示位置时，等效电极的长为42mm，宽仍为16mm。此时，等效电极的面积增大1.2倍。由于ECT系统的测量电压与测量电极对间的电容值成正比关系，且电极对间的电容值与电极面积成正比关系，因此，在本例的旋转和轴向平移情况下，电极的占空比提高23％且测量电容值提高1.3和1.2倍。进一步通过伺服电动推杆5和伺服电机6的共同作用，实现内置电极层4和外置电机层2的移动并旋转，可进一步灵活调节电极的占空比，如图9所示。

以上对本发明进行示意性描述，但并不局限于此，附图中所示只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。