一种电容层析成像系统的制作方法

本实用新型属于电容层析成像技术领域，具体涉及一种电容层析成像系统。

背景技术：

电容层析成像利用不同物质具有不同的介电常数这一特性，通过检测管道中不同物质所对应的介电常数分布，获得管道横截面的流体状况，适合于对各种非导电体组成的混合物进行测量，在石油、化工、电力行业应用很广。

现有的电容层析成像系统主要包括3个部分：电容传感器、测量及数据采集、计算机图像重建。电容传感器获取被测物场分布状况的投影信息，测量及数据采集单元收集传感器所获得的信息，并传送至计算机，计算机根据一定的算法重建出场域分布图像。

现有的电容层析成像系统有以下缺点：

1)电容传感器内电极上的信号很弱，再通过同轴电缆的传输，信号衰减很大；

2)信号通过同轴电缆传输到处理器，中间环节越多，引入的噪声越多；

3)后续信号噪声多，信号处理必须进行更多的滤波和信号提取，成本高；

4)计算机图像重建一般采用计算机，体积大，不便携，成本高。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中存在的问题，本实用新型提出一种电容层析成像系统，其在信号传输前便进行滤波放大，提高了测量精度，同时具有结构简单、体积小的优点。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种电容层析成像系统，其特殊之处在于：

包括电容层析成像传感器、信号处理部分和成像部分；

电容层析成像传感器包括内管以及设置在内管外围的屏蔽罩，所述内管和屏蔽罩之间设有多个电极片，多个电极在内管的外壁上圆周均布；

信号处理部分包括前端放大滤波电路、开关切换阵列、CV转换电路、第一滤波放大电路、模数转换器ADC和FPGA；前端放大滤波电路位于屏蔽罩之外，且固定在电容层析成像传感器上；前端放大滤波电路与电极片一一对应，且通过屏蔽线缆相连；前端放大滤波电路、开关切换阵列、CV转换电路、第一滤波放大电路、模数转换器ADC、FPGA依次连接；FPGA控制开关切换阵列的切换；

所述成像部分为ARM处理器和显示屏；FPGA与ARM处理器数字通信连接；所述显示屏与ARM处理器通讯连接。

进一步地，上述电容层析成像系统还包括第二滤波放大电路、数模转换器DAC，第二滤波放大电路的两端分别与开关切换阵列、数模转换器DAC输出端相连，数模转换器DAC的输入端与FPGA相连。

进一步地，上述内管为PVC管。

进一步地，上述电极片的数量为八个。

进一步地，上述电极片为铜电极片。

进一步地，上述内管的内径为52mm，外径为62mm。

本实用新型的优点：

1、本实用新型提出一种电容层析成像系统，可对微弱信号提取，在信号传输前滤波加强，提高检测精度；

2、本实用新型提出一种电容层析成像系统，在信号传输前转换成数字信号，然后使用数字信号通信，数字信号通信相比模拟信号的通信更稳定，更可靠，使用数字信号通信给到后续的嵌入式板卡，结构更简单，成本更低；

3、本实用新型提出一种电容层析成像系统，使用低成本嵌入式芯片成像，使用ARM图像协处理器进行成图运算，直接在传感器旁边成图，在线实时观测；

4、本实用新型提出一种电容层析成像系统，采用铜电极片，大大降低了传感器的制作成本；

5、本实用新型提出一种电容层析成像系统，结构简单，体积小，很适合应用到石油化工行业。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

其中，1-内管；2-屏蔽罩；3-电极片；4-前端放大滤波电路；5-开关切换阵列；6-CV转换电路；7-第一滤波放大电路；8-模数转换器ADC；9-FPGA；10-屏蔽线缆；11-ARM处理器；12-显示屏；13-第二滤波放大电路；14-数模转换器DAC。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，一种电容层析成像系统，包括电容层析成像传感器、信号处理部分和成像部分。

电容层析成像传感器包括内管1以及设置在内管1外围的屏蔽罩2，所述内管1和屏蔽罩2之间设有多个电极片3，多个电极片3在内管1的外壁上圆周均布。本实用新型在COMSOL中建立了2D和3D仿真模型，通过上万次仿真最终确定了传感器的最优参数：所述电极片3的数量为八个，八个电极片3以1:2占空比均匀分布在内管1周围，电极片3长度为78mm,间距为16mm，所述内管1的内径为62mm，外径为72mm。所述内管1为PVC管，也可以采用其他绝缘耐腐蚀材料制成的管子。所述电极片3为铜电极片3。

信号处理部分包括前端放大滤波电路4、开关切换阵列5、CV转换电路6、第一滤波放大电路7、模数转换器ADC8和FPGA9；

前端放大滤波电路4位于屏蔽罩2之外，且固定在电容层析成像传感器上；前端放大滤波电路4与电极片3一一对应，且通过屏蔽线缆10相连；前端放大滤波电路4、开关切换阵列5、CV转换电路6、第一滤波放大电路7、模数转换器ADC8、FPGA9依次连接；FPGA9控制开关切换阵列5的切换；CV转换电路6的作用将测量电容的响应信号转换成电压信号，电容跟电压一一对应。

所述成像部分为ARM处理器11和显示屏12；FPGA9与ARM处理器11数字通信连接；所述显示屏12与ARM处理器通12讯连接。

还包括第二滤波放大电路13、数模转换器DAC14，第二滤波放大电路13的两端分别与开关切换阵列5、数模转换器DAC14输出端相连，数模转换器DAC14的输入端与FPGA9相连。

FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，本实施例采用的是Intel英特尔(收购的altera)公司生产的型号为EP3C25F324I7N的产品。本实用新型中，FPGA不局限这一型号和这一家公司，其他公司(比如xilinx或者lattice)的FPGA，CPLD，PAL,GAL(有很多型号，只是内部资源不一样)都是可以实现该功能。

FPGA9和ARM处理器11可以安装在一个板卡上。

显示屏12采用工业用屏幕，可大可小，根据整个系统的大小进行适配，而且成图的大量运算采用图像处理能力优良的ARM芯片，将芯片的资源充分利用，使得整个产品非常小，成本非常低。

信号处理部分的工作原理为：

(1)FPGA9控制数字模拟转换器DAC14产生信号，经过第二滤波放大电路13、开关切换阵列6、屏蔽线缆10给到八个前端放大滤波电路4上，让某一电极片3作为激励端；

(2)其余七个电极片3中的任意一个就作为测量端，信号通过前端放大滤波电路4得到过滤、放大处理，进入开关切换阵列6、CV转换电路、第一滤波放大电路后到达模数转换器ADC8，模数转换器ADC8将信号转换成数字信号，然后通过并口再给到FPGA9，FPGA9进行处理得到信号的幅度(跟两电极之间的电容正相关)和相位，然后通过通信方式给到ARM处理器11，ARM处理器11进行成图相关算法运算，通过相关的接口可以接到显示器12。首先信号的噪声在源头滤掉，并且放大所需要的信号，在进行AD转换成数字信号给到FPGA。八个前端放大滤波电路4和FPGA9采用SPI通信，FPGA9作为主设备，其余8个前端放大滤波电路4作为从设备，这样相互连接线路简单，整个结构简单，加工组装工艺简单，便于生产安装。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。