基于电容层析成像传感器的移动式成像装置的制作方法

本申请涉及一种基于电容层析成像传感器的移动式成像装置，属于传感器领域。

背景技术：

三维电容层析成像(3dect)技术属于过程层析成像技术中的一种，在容器内部或外部覆盖一定数量的电极组成电容式传感器，当传感器敏感区域内介质的浓度发生变化时，会引起等效介电常数的变化，测量电极和检测电极之间电容改变，测量电容数据。根据相应的图像重建方式，得到所测截面处对应介质的浓度，进而得到关于浓度的二维或三维图像。ect传感器包括三个部分：传感器系统、数据采集和传输系统和计算机图像重建系统。

与其它测量多相流的技术相比，ect具有快速、安全、经济和非侵入等优点，已经被广泛应用于气力输送、油气管道和气液两相流等多相流的浓度检测、流行识别和速率测量等过程的研究中。而3dect还可以呈现介质在运动过程中的形态和空间分布，已经得到越来越多的研究者的关注。

目前三维ect成像技术尚处于起步阶段，国际上许多研究者都在探索如何实现电容层析成像的三维立体化，迄今尚未有达到理想状态的三维ect成像结果。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种基于电容层析成像传感器的移动式成像装置，该装置通过控制待测样品或传感器的运动速度，实现对待测样品中，所需测量截面的数量和测量截面间隔的控制，获得多个截面的二维图像。

所述基于电容层析成像传感器的移动式成像装置，其特征在于，包括：电容层析成像传感器、运动夹具和辅助夹具，所述运动夹具和所述辅助夹具分别夹持待测样品或所述电容层析成像传感器；所述运动夹具相对所述辅助夹具进行测量运动；

所述电容层析成像传感器用于对所述待测样品的待测截面进行测量，获取所述待测样品各所述待测截面的二维图像。

可选地，所述电容层析成像传感器为单层传感器。

可选地，所述电容层析成像传感器包括：供所述待测样品流动的管道和测量电极，所述测量电极设置于所述管道的内壁或外壁上；所述测量电极沿所述管道的径向，环绕所述管道周缘布置至少一层。

可选地，所述测量电极包括：本体、第一条状体和第二条状体，所述第一条状体与所述本体一侧面相连接；所述第二条状体与所述本体的另一相对侧面相连接；所述测量电极贴敷于所述管道内壁上，所述第一条状体和/或所述第二条状体穿过所述管道的管壁引出到所述管道外。

可选地，所述电容层析成像传感器包括：轴端电极，所述轴端电极成对地设置于所述管道的两相对端上，所述轴端电极设置于所述管道的外壁上；所述测量电极间隔设置于所述轴端电极之间。

可选地，所述电容层析成像传感器包括：用于屏蔽干扰信号的外屏蔽罩，所述外屏蔽罩罩设于所述电容层析成像传感器上。

可选地，包括：控制模块，所述控制模块用于控制所述运动夹具进行所述测量运动。

可选地，所述控制模块包括：驱动模块、控制面板和可编程逻辑控制器，所述控制面板用于输入控制参数，与所述可编程逻辑控制器电连接；

所述可编程逻辑控制器用于将所述控制参数转换为脉冲信号对所述驱动模块进行控制，所述可编程逻辑控制器与所述驱动模块电连接；

所述驱动模块与所述运动夹具驱动连接。

可选地，所述驱动模块包括：运动丝杠、伺服驱动器和伺服电机，所述可编程逻辑控制器与所述伺服驱动器控制连接；

所述伺服驱动器与所述伺服电机控制连接；

所述伺服电机用于驱动所述运动丝杠，与所述运动丝杠驱动连接；

所述运动夹具设置于所述运动丝杠上，并随所述运动丝杠运动。

可选地，所述运动夹具的运动速度为0.1mm/s到400mm/s。

可选地，所述测量运动为沿所述装置纵向运动。

可选地，所述待测样品为静态物体时，所述电容层析成像传感器相对所述待测样品的运动速度为1mm/s到100mm/s。

可选地，包括：辅助丝杠，所述辅助夹具设置于所述辅助丝杠上，通过所述辅助丝杠对所述辅助夹具的位置进行调整。

可选地，所述运动夹具与所述辅助夹具为异面垂直。

可选地，包括：位置传感器，所述位置传感器与所述运动夹具电连接，用于检测所述运动夹具的位置，并与所述可编程逻辑控制器电连接。

可选地，所述位置传感器为接近开关。

可选地，包括：数据采集模块、信号传输线缆和图像处理模块，所述数据采集模块通过所述信号传输线缆与所述测量电极电连接，用于采集测量数据；

所述数据采集模块与所述图像处理模块电连接，所述图像处理模块用于处理所述测量数据，得到各待测截面的二维图像，并对所述二维图像进行处理得到三维图像。

本申请中“电连接”包括数据传输连接、控制指令传输连接、电信号传输连接、控制参数传输连接、脉冲信号传输连接。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的基于电容层析成像传感器的移动式成像装置，可以根据要求通过修改相关参数，控制传感器与待测样品的移动情况；可直观显示传感器的运行参数和运行状态。

2)本申请所提供的基于电容层析成像传感器的移动式成像装置，根据需要调节运动丝杠的转动速度，实现对传感器与待测样品的相对运动速度控制，进而实现对测量截面的数量和测量截面间隔的控制，获得多个截面的二维图像。

3)本申请所提供的基于电容层析成像传感器的移动式成像装置，当待测样品为运动物体时，该装置可根据待测样品的运动速度，调节传感器的运动速度，从而降低待测样品与传感器之间的相对运动速度，实现准确测量。尤其是当待测样品运动速度较快时，需要增加测得截面的数量减少测量间隔时，采用该装置进行成像测量，可以有效提高三维重建图像的质量并极大地增加3dect传感器所能测量样品的运动速度范围。

4)本申请所提供的基于电容层析成像传感器的移动式成像装置，传感器中所用测量电极主视图呈“中”字形，即测量电极整体材料相同，其中的第二条状体和第一条状体向管道外壁延伸。电极贴敷于管道内壁的同时，通过条状体穿过管壁引出到管道外，将测量电极与信号传输线缆的线芯相连，采用这种连接方式和结构的电极，能减少壁面效应对测量信号的影响，同时保证管内的平滑性。

5)本申请所提供的基于电容层析成像传感器的移动式成像装置，其中所用传感器为测量电极数量相对较少的单层电容层析成像传感器，利用该传感器与被测样品的相对运动，即可获取高质量的被测物的多帧2d切片图，通过将所测样品不同的2d截面图像进行插值处理，即可实现3d成像，该装置为3dect成像提供了新的解决思路，同时采用该装置所测数据更精确稳定，截面图像质量更高。

6)本申请所提供的基于电容层析成像传感器的移动式成像装置，通过提高电容层析成像技术单层电容层析成像传感器测量样品图像的数量或采样精度，从而提高现有的三维电容层析成像单层电容层析成像传感器的成像质量。

附图说明

图1为本申请一种实施方式中移动式三维电容层析成像装置控制原理示意图；

图2为本申请一种实施方式中移动式三维电容层析成像装置结构示意图；

图3为本申请一种实施方式中电容层析成像传感器结构示意图，其中(a)为测量电极的主视图，其主视图中测量电极呈“中”字形；(b)为测量电极贴设于管道内壁上的立体结构示意图；(c)为电容层析成像传感器立体结构示意图；

图4为本申请一种实施方式中三维电容层析成像系统结构示意图。

图5a为对比例中所用ect传感器主视局部分解示意图；

图5b为对比例所得三维图；

图5c为本申请实施例中所得三维图；

图5d为对比例和实施例中测量对象的测量模型三维示意图。

部件和附图标记列表：

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

参见图2，本申请提供的移动式三维电容层析成像装置，包括：电容层析成像传感器、运动夹具71和辅助夹具72，运动夹具71和辅助夹具72分别夹持待测样品或电容层析成像传感器；运动夹具71相对辅助夹具72进行测量运动；

电容层析成像传感器用于对待测样品的待测截面进行测量，获取待测样品各待测截面的二维图像。

运动夹具71和辅助夹具72分别夹持待测样品或传感器，如运动夹具71夹持了待测样品，则辅助夹具72传感器。通过控制运动夹具71的运动，在运动过程中完成对待测样品各待测截面的二维成像，通过机电方式控制测量各截面的速度和截面间隔，便于对测量过程的控制，有利于提高二维图像合成三维图像时的成像精度和成像效果。

本领域技术人员根据需要可选用现有各类电容层析成像传感器，进行测量均可。可选地，电容层析成像传感器为单层传感器。采用单层传感器，有利于通过控制传感器与待测样本之间的相对运动速度，精确采集各待测截面数据。

采用该装置获取的二维图像，通过叠加或插值处理即可得到三维图像。

该装置不仅可以测量静态待测物体，还可以测量运动物体。用于测量运动待测样本时，传感器固定在运动夹具71上，根据物体运动的速度调节传感器的运动速度，降低二者的相对运动速度，从而实现对运动状态下，待测样品的测量。通过控制传感器与待测样品的相对运动速度来控制测得截面的数量和间隔，获得多个所需待测截面的二维图像。

参见图3(c)，可选地，电容层析成像传感器包括：供待测样品流动的管道11和测量电极8，测量电极8设置于管道11的内壁或外壁上；测量电极8沿管道11的径向，环绕管道11周缘布置至少一层。

测量电极8均匀分布于管道11的内壁或外壁；通过信号传输线与电容层析成像数据采集系统连接，所采集的测量信号通过信号传输线送至数据采集系统，再由数据采集系统送到计算机完成图像重建，获得该截面的二维图像。管道11可选为绝缘材料。

参见图3(b)，可选地，测量电极8为单层。测量电极8个数为n，n为不小于4的正整数。

参见图3(a)～(b)，可选地，测量电极8包括：本体81、第一条状体82和第二条状体83，第一条状体82与本体81一侧面相连接；第二条状体83与本体81的另一相对侧面相连接；测量电极8贴敷于管道11内壁上，第一条状体82和/或第二条状体83穿过管道11的管壁引出到管道11外。

参见图4，测量时，通过将第二条状体83或第一条状体82伸出管道11外的部分与信号传输线缆相连接，进行数据传输。

伸出管道11的第一条状体82和/或第二条状体83，用于与信号传输线缆的线芯相连，便于传输测量信号。

可选地，电容层析成像传感器包括：轴端电极9，轴端电极9成对地设置于管道11的两相对端上，轴端电极9设置于管道11的外壁上；测量电极8间隔设置于轴端电极9之间。

参见图3(c)，在一具体实施例中，轴端电极9包括第一轴端电极9和第二轴端电极9，第一轴端电极9设置于管道11的第一端外壁上，第二轴端电极9设置于管道11的第二端的外壁上。测量电极8层设置于管道11内壁上，测量电极8层分别与第一轴端电极9、第二轴端电极9间隔，设置于管道11中部。

可选地，电容层析成像传感器包括：用于屏蔽干扰信号的外屏蔽罩10，外屏蔽罩10罩设于电容层析成像传感器上。

可选地，包括：控制模块，控制模块用于控制运动夹具71进行测量运动。

可选地，包括：驱动模块、控制面板1和可编程逻辑控制器，控制面板1用于输入控制参数，与可编程逻辑控制器电连接；可编程逻辑控制器用于将控制参数转换为脉冲信号对驱动模块进行控制，可编程逻辑控制器与驱动模块电连接；驱动模块与运动夹具71驱动连接。

可选地，驱动模块包括：运动丝杠6、伺服驱动器3和伺服电机4，可编程逻辑控制器与伺服驱动器3控制连接；伺服驱动器3与伺服电机4控制连接；伺服电机4用于驱动运动丝杠6，与运动丝杠6驱动连接；运动夹具71设置于运动丝杠6上，并随运动丝杠6运动。运动丝杠6可以为滚珠丝杠。

参见图1，在一具体实施例中，传感器或待测样品可根据指令进行移动；采用触摸屏作为控制面板1，通过控制面板1输入控制参数，将控制参数转换为电信号并将电信号传输到可编程逻辑控制器2中。可编程逻辑控制器2再将输入的电信号转换为脉冲信号，并传输到伺服驱动器3中，伺服驱动器3通过控制与伺服电机4相连的滚珠丝杠，运动夹具71及其上的传感器或待测样品，随滚珠丝杠转动进行精确运动。伺服电机4与滚珠丝杠之间通过联轴器进行连接。

可选地，运动夹具71的运动速度为0.1mm/s到400mm/s。

可选地，测量运动为沿装置纵向运动。

可选地，待测样品为静态物体时，电容层析成像传感器相对待测样品的运动速度为1mm/s到100mm/s。

可选地，包括：辅助丝杠14，辅助夹具72设置于辅助丝杠14上，通过辅助丝杠14对辅助夹具72的位置进行调整。辅助丝杠14可为滚珠丝杠。

辅助丝杠14可以为通过手摇柄驱动的滚珠丝杠，通过手摇柄转动滚珠丝杠并带动辅助夹具72运动，可做到其位置的精确定位，以满足不同实验条件的需要。使得辅助夹具72还可以可根据传感器或待测样品的尺寸大小和中心位置等具体要求进行调节。

可选地，运动夹具71与辅助夹具72为异面垂直。此处的异面垂直是指运动丝杠6与辅助丝杠14分别处于不同的平面，但二者所处平面相互垂直。运动丝杠6和运动夹具71、辅助丝杠14和辅助夹具72，分别构成不同的平面，但二者所处平面相互垂直。

参见图2，例如运动丝杠6与运动夹具71所处平面垂直地面；辅助丝杠14和辅助夹具72所处平面平行地面。

为了使运动丝杠6与运动夹具71、辅助丝杠14和辅助夹具72能够安装至预设位置，本领域技术人员可选择支撑架结构。

例如该装置的支撑架为立式结构，运动丝杠6垂直于地面，辅助丝杠14处于支架的上方中间位置并平行于地面，两丝杠处于异面垂直状态，并且二者之间距离可调；其它部分分布于系统支撑架的合适位置。同理该装置也可以采用卧式设计。

可选地，还包括伺服电机编码器5，设置于伺服驱动器3中，用于对控制程序进行编码后，控制伺服电机4。

可选地，包括：位置传感器15，位置传感器15与运动夹具71电连接，用于检测运动夹具71的位置，并与可编程逻辑控制器2电连接。位置传感器15为接近开关。用于控制运动夹具71的运动位置，防止运动夹具71运行超过极限。

位置传感器15可产生相应电信号，然后将信号传输给可编程逻辑控制器2，为可编程逻辑控制器2提供控制指令。

参见图4，优选的，包括：电容层析成像数据采集系统，电容层析成像数据采集系统包括：数据采集模块12、信号传输线缆和图像处理模块13，数据采集模块12通过信号传输线缆与测量电极8电连接，用于采集测量数据；数据采集模块12与图像处理模块13电连接，图像处理模块13用于处理测量数据，得到各待测截面的二维图像。

根据需要图像处理模块13还可以对二维图像进行处理得到三维图像。

以下结合具体实施例，对本申请提供的移动式三维电容层析成像装置进行详细说明。

图1是可移动式3dect控制原理示意图，传感器移动控制系统包括：控制面板1(触摸屏)、可编程逻辑控制器(plc)2、伺服驱动器3、伺服电机4和运动丝杠6，运动夹具71、位置调整系统和系统支撑架。控制面板1将输入的控制参数转换为电信号并将电信号传输到plc中。

plc再将输入的电信号转换为脉冲信号，并传输到伺服驱动器3中，伺服驱动器3通过控制与伺服电机4相连的运动丝杠6，带运动夹具71进行精确运动，从而带动运动夹具71夹持的传感器或待测样品运动。

图2是可移动式3dect主要装置示意图，装置带动传感器7或待测样品进行上下运动的速度可以根据需要进行调节，可以控制的运动速度参数范围为0.1mm/s到400mm/s，传感器可以测量静态或动态的物体。当现有测量运动物体时，传感器7固定在运动夹具71上，根据物体运动的速度，调节传感器运动速度，降低二者相对运动速度。传感器7或待测样品进行相对运动时可以测量样品不同待测截面的信息并得到相应位置的二维图像，通过控制传感器与待测样品的相对运动速度来控制待测截面的数量和相邻待测截面的间隔。

传感器7是由n个测量测量电极8组成的电容层析成像传感器，测量电极分布于管道11上，在测量电极8的外侧，管道11两端布置轴端电极9。在测量电极8的外部空间设置有外部屏蔽10。其中n为不小于4的正整数。

图3是测量电极8的电容层析成像传感器示意图，其中(a)是单个测量电极8的示意图，(b)是测量电极8与管道11相对位置的示意图，(c)是电容层析成像传感器的整体示意图。测量电极8呈“中”字形，即在矩形电极上边和下边有向管道11外壁延伸出细长条形的相同材料，测量电极8贴敷于管道11内壁并通过其中一个条形连接件，穿过管壁引出到管道11外与信号传输线缆的线芯相连，这样可以减少壁面效应对于测量信号的影响。

在进行测量时，首先将系统支撑架调整到标准水平位置并固定，然后将需要由系统控制运动的传感器或待测样品固定在运动夹具71上，调节运动夹具71的位置，调整系统保证运动夹具71及其夹持物、辅助夹具72及其夹持物，所处平面相互垂直。

然后根据要求在图2所示控制面板11上确定传感器所在位置为其设定当前位置，否则先使其走完未完成的行程。通过控制面板11控制运动的方式有两种，分别为自动控制和手动控制，两种方式均需要设定移动速度，设定的运动速度参数范围为0.1mm/s到400mm/s。

对于自动控制还需要输入运动的设定终点位置，设定的位置可以在当前位置之上，也可以在当前位置之下，运动夹具71在自动控制下按照设定参数走完：当前位置到设定位置。

对于手动控制，同样可以控制运动夹具71向上或向下运动，根据需要手动调节运动距离。

参见图2，根据设定的程序，控制面板11将输入信号转换为电信号，并将其传输到plc中，控制面板1基于modbus协议和rs485通讯接口与plc进行通讯，plc根据设定的程序将输入信号转换为脉冲信号传输给伺服驱动器33，连接位置为伺服驱动器3的cn1接口，伺服驱动器3再将信号进行处理，输出脉冲信号来控制伺服电机4的工作，伺服电机4的编码器5将获得的伺服电机4的运动参数经由伺服驱动器3的cn2接口反馈回伺服驱动器3。

伺服电机4驱动运动丝杠6运动，并带动运动夹具71运动。

图4是三维电容层析成像系统示意图，测量电极通过信号传输线与数据采集模块12连接，所采集的测量信号通过信号传输线送至数据采集模块12，再由数据采集模块12送到图像处理模块13完成图像重建，获得该截面的二维图像获得多个截面的二维图像，再通过图像处理模块13处理获得所测样品的三维图像。

实施例1

测量一个高约5mm的静态物体并对其进行三维图像重建，使用本申请提供的上述成像装置，包括传感器和传感器移动控制系统两部分，传感器是由16个测量电极8组成的电容层析成像传感器，管道11外径为50mm，测量电极8高为25mm，测量电极8均匀分布于管道11外壁，在测量电极8两侧设置有轴端电极9，电极的外部空间设置有屏蔽层；传感器移动控制系统包括控制面板1、可编程逻辑控制器(plc)、伺服驱动器3、伺服电机4、滚珠丝杠，运动夹具71及位置调整系统，辅助夹具72及位置调整系统以及系统支撑架；将传感器固定在运动夹具71，待测物体固定在辅助夹具72上，输入传感器的移动速度为0.1mm/s，传感器移动控制系统自动带动运动夹具71上的传感器按照程序设计从下向上进行运动，对物体进行测量，将测量数据传输到计算机进行图像重建获得物体多个截面的二维图像，再经过图像处理获得物体的三维图像。

实施例2

测量一个高约10mm的静态物体并对其进行三维图像重建，使用一种移动式可获得三维图像的ect传感器，包括传感器和传感器移动控制系统两部分，传感器是由8个测量电极8组成的电容层析成像传感器，管道11内径为60mm，测量电极8高为30mm，测量电极8均匀分布于管道11内壁且呈“中”字形，即在测量电极8的本体81的上边和下边有向管道11外壁延伸出细长条形的相同材料，测量电极8贴敷于管道11内壁并通过其中一个条形连接穿过管壁引出到管道11外与信号传输线缆的线芯相连，在测量电极8两侧设置有轴端电极9，测量电极8和管道11的外部空间设置有屏蔽层；传感器移动控制系统包括控制面板1、可编程逻辑控制器(plc)、伺服驱动器3、伺服电机4、滚珠丝杠，运动夹具71及位置调整系统，辅助夹具72及位置调整系统以及系统支撑架；将待测物体固定在运动夹具71，传感器固定在辅助夹具72上，输入传感器的移动速度为1mm/s，传感器移动控制系统自动带动运动夹具71上的待测物体按照程序设计从上向下进行运动并进行测量，将测量数据传输到计算机进行图像重建获得物体多个截面的二维图像，在经过图像处理获得物体的三维图像。

实施例3

测量一种速度为0.3m/s的从下向上快速流动的流体并对其进行三维图像重建，使用一种移动式可获得三维图像的ect传感器，包括传感器和传感器移动控制系统两部分，传感器是由6个测量电极8组成的电容层析成像传感器，管道11外径为108mm，测量电极8高为40mm，测量电极8分布于管道11外壁，在测量电极8两侧设置有轴端电极9，测量电极8的外部空间设置有屏蔽层；传感器移动控制系统包括触摸屏、可编程逻辑控制器(plc)、伺服驱动器3、伺服电机4、滚珠丝杠，运动夹具71及位置调整系统和系统支撑架；将传感器固定在运动夹具71上，输入传感器的移动速度为280mm/s，移动方向为向上，传感器移动控制系统自动带动运动夹具71上的传感器按照程序设计进行运动，对物体进行测量，将测量数据传输到计算机进行图像重建获得物体多个截面的二维图像，再经过图像处理获得物体的三维图像。

对比例中以图5a所示传统三维传感器进行3d层析成像，所得结果如图5b所示。参见图5a测量电极3’设置于管道2’表面上。测量电极3’为矩形，各行中测量电极3’整齐排列。屏蔽罩1’罩设于传感器外。

附图5a中所示传感器对一样本检测所得结果如图5b所示。

实施例中，采用如图2所示，本申请提供的装置对与对比例同一样品进行测量。测量结果附图5c所示。

图5d为该样品的测量模型。通过对比图5b～d可见，采用本申请提供装置得到的结果，整体形状更接近于测量模型，而对比例中所得结果包含很多噪声结果。参见图5b中可见下方存在大量零碎噪声图像。说明本申请提供传感器的测量结果更准确。对比例中采用传统三维传感器成像结果，由于噪声的影响，其伪差和失真较大，而采用本申请提供的成像装置可以有效的减少噪声的影响。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。