專利名稱：一種三維ect數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型主要涉及一種電容層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，特別涉及一種基于 C8051F700的三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，屬于電容層析成像技術領域。
背景技術：
電容層析成像系統(tǒng)，需要測量均勻分布在工業(yè)管道外壁的極板間電容，通過介質(zhì)引起的電容變化獲得管道內(nèi)部物料或流體的可視化信息。而極板間電容值通常很小，本體電容大約在0. OlpF到0. 5pF左右，電容變化量更小，而雜散電容和耦合電容等測量干擾因素卻很大，可以達到幾十到上百皮法，這就對微小電容檢測電路提出了很高的要求。傳統(tǒng)的電容檢測方法有直流充放電和交流C/V轉(zhuǎn)換等分立元件檢測電路，轉(zhuǎn)換速率低，難以滿足系統(tǒng)實時性要求。分立元件結(jié)構復雜，易受外界環(huán)境干擾，抗干擾能力差，采用并行檢測時電路多路切換開關難于控制并給電路帶來更多的耦合電容，多路一致性也不好，抑制測量精度，嚴重影響成像質(zhì)量。而三維傳感器分布，極板間電容值更小，所需的測量范圍更大，測量能力更強，這就為ECT系統(tǒng)電容測量提出了更大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電容數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)普遍存在運行速度慢、結(jié)構復雜、抗干擾能力差、測量精度難于控制、不適合工業(yè)環(huán)境應用等一系列問題，亟待解決。
發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的本實用新型提出了一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，克服了上述現(xiàn)有技術存在的缺陷，結(jié)構簡單，抗干擾能力強，并且提高了測量精度。技術方案一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由電容傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和上位機構成，其特征在于所述電容傳感器為采用三維分布的極板，極板為矩形并設置在圓形管道的外部，管道外部設有屏蔽罩，極板分三層設置，每層設置四個，相鄰兩個極板之間的間距相等，相鄰兩層極板之間呈O 90°角旋轉(zhuǎn)式分布，極板兩側(cè)還設置有接地的屏蔽環(huán)；所述數(shù)據(jù)采集裝置由主電路板和外圍設備構成。所述管道的直徑為L，以L/7. 7為系數(shù)，極板的參數(shù)為極板高度為2. 5L/7. 7，極板寬度為4 L/7. 7，極板間徑向距離為2 L/7. 7，極板間軸向距離為2 L/7. 7。所述主電路板由單片機及其外圍電路構成，單片機以C8051F700為核心，外圍電路包括極板電容輸入電路、供電電路、LED顯示電路以及串口輸出電路。所述外圍設備為供電電源和串口 USB轉(zhuǎn)換器。所述數(shù)據(jù)采集裝置的主電路板緊貼管道外壁設置，并靠近極板。所述數(shù)據(jù)采集裝置的主電路板與管道一并置于屏蔽罩內(nèi)部。所述的相鄰兩層極板之間呈45°角旋轉(zhuǎn)式分布。優(yōu)點及效果[0016]本實用新型提出了一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是對傳統(tǒng)的二維電容層析成像數(shù)據(jù)采集方案的突破和改進，具有如下優(yōu)點(1)、利用傳感器的極板三維分布，合理的空間結(jié)構和分層旋轉(zhuǎn)式的方法，為圖像重建提供更加充分和準確的管道內(nèi)部信息，提高了圖像重建的真實性。(2)、利用C8051F700芯片的自身優(yōu)勢，大大提高了數(shù)據(jù)采集的速度，對于每個輸入電容值，電路最高轉(zhuǎn)換速率可達40 μ s per input。實驗表明，在理想情況下，對于12極板的電容層析成像，系統(tǒng)重建速度可達到140幀每秒以上，滿足了在線管道內(nèi)檢測的實時性要求。由于芯片的多功能集成，用極少資源解決電容檢測系統(tǒng)的各項問題，使整個硬件系統(tǒng)結(jié)構簡單、輕便，易于靠近測試主體，規(guī)避外界環(huán)境，抗干擾能力強，對工業(yè)應用有更好的適應性。(3)、系統(tǒng)本身有具有一定的雜散電容抑制能力和較高的精度，在盡量去除外界環(huán)境干擾的情況下，測量大約可精確到0. Olpf，為圖像重建質(zhì)量提供了保證。


圖1為本實用新型的電容傳感器結(jié)構示意圖；圖2為本實用新型主電路板的電路原理圖；圖3為本實用新型整體結(jié)構示意圖。附圖標記說明1、極板；11、屏蔽罩；12、管道；13、屏蔽環(huán)；2、主電路板；21、供電電源；22、串口 USB轉(zhuǎn)換器；23、電容輸入端口 ；L、管道直徑。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的說明傳統(tǒng)的電容數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)普遍存在運行速度慢、結(jié)構復雜、抗干擾能力差、測量精度難于控制、不適合工業(yè)環(huán)境應用等一系列問題，亟待解決。為本實用新型采用單片機C8051F700，利用該芯片電容測量模塊，高速以及高度集成的優(yōu)勢，解決上述問題。一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1中所示，由電容傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和上位機構成，其特征在于電容傳感器通過數(shù)據(jù)采集裝置與上位機連接，所述電容傳感器為采用三維分布的極板1，極板1為矩形并設置在圓形管道12的外部，管道12外部設有屏蔽罩11， 極板1分三層設置，每層設置四個，共12個極板，相鄰兩個極板之間的間距相等，相鄰兩層極板之間呈0 90°角旋轉(zhuǎn)式分布，該旋轉(zhuǎn)角度可以根據(jù)實際需要在0 90°角度之間進行選擇，例如可以選擇0°角，30°角，60°角，90°角等等，當相鄰兩層極板之間呈45°角旋轉(zhuǎn)式分布時效果最佳。極板1兩側(cè)(最上層極板的上側(cè)和最下層極板的下側(cè))還設置有接地的屏蔽環(huán)13， 屏蔽環(huán)接地的目的是為了減少干擾；這種三維結(jié)構對管道12 —定區(qū)域(極板覆蓋的區(qū)域) 內(nèi)介質(zhì)有較好的辨識度。所述數(shù)據(jù)采集裝置由主電路板2和外圍設備構成。為了獲得較為準確的管道內(nèi)部信息，經(jīng)過反復的圖像重建算法分析和實驗驗證。經(jīng)過仿真分析，得出管道直徑為7. 7cm時，極板高度，寬度，徑向、軸向距離的理想值。以該組參數(shù)值為標準，按照管道直徑與標準直徑的相應比例，同等比例地縮放高度，寬度，徑向、軸向距離，從而獲得對于不同管道直徑的極板大小和分布參數(shù)。[0034]對于采用12個極板的三維結(jié)構分布采用以下參數(shù)管道12的直徑為L，以L/7. 7作為系數(shù)，對于不同的管道直徑，以該系數(shù)為標準，即可得到對應的極板1的參數(shù)極板高度為2. 5L/7. 7，極板寬度為4 L/7. 7，極板間徑向距離為2 L/7. 7，極板間軸向距離為2 L/7. 7。這樣設置極板的參數(shù)，可以更為準確地獲得管道12內(nèi)部的信息。例如管道直徑為7. 7cm時，極板的理想?yún)?shù)為極板高度2. 5cm,極板寬度km， 極板間徑向距離2cm，軸向距離2cm。如圖2中所示是數(shù)據(jù)采集裝置主電路板的電路原理圖(圖中為12個極板輸入)，主電路板2由單片機及其外圍電路構成；單片機以C8051F700為核心；外圍電路包括極板電容輸入電路、供電電路、LED顯示電路以及串口輸出電路。所述外圍設備為供電電源21和串口 USB轉(zhuǎn)換器22。所述數(shù)據(jù)采集裝置的主電路板2緊貼管道12外壁設置，并盡可能地靠近極板1。所述數(shù)據(jù)采集裝置的主電路板2也可以與管道12 —并置于屏蔽罩11內(nèi)部，這樣設置可以減少屏蔽線帶來的雜散電容。圖3中所示為本實用新型的整體結(jié)構示意圖，如圖中所示，本實用新型在使用時， 電容傳感器即為管道12外壁設置的極板1，通過屏蔽線與電容輸入端口 23連接，每個極板一次對應一個電容輸入端口。供電電源21為5v左右直流供電電源，通過AMSl 117穩(wěn)壓器為單片機供電。C8051F700含有32個電容輸入端口，可以選擇與極板數(shù)目相同的端口，每個極板通過屏蔽線與端口對應連接，作為單片機的輸入。C8051F700內(nèi)置有電容傳感器模塊， 在工作狀態(tài)下，可通過編寫程序選擇接地極板，單片機會一次獲取該極板與其他極板的電容值，并在電容傳感器CDC (電容數(shù)字量轉(zhuǎn)換)模塊的作用下，將電容值轉(zhuǎn)換成具有16位精度的數(shù)字量。對于每個輸入電容值，電路最高轉(zhuǎn)換速率可達40 μ s per input。實驗表明， 在理想情況下，對于12極板的電容層析成像，系統(tǒng)重建速度可達到140幀每秒以上，滿足了在線管道內(nèi)檢測的實時性要求。由單片機對這些數(shù)字量進行濾波、比較等必要的處理后，再將數(shù)據(jù)通過串行輸入輸出引腳和串口 USB轉(zhuǎn)換器22直接傳遞給上位機，與上位機之間進行數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)采集裝置將采樣數(shù)據(jù)傳遞給上位機，并接受上位機的控制。其中數(shù)據(jù)采集裝置的主電路板2緊貼管道12外壁設置，距極板1陣列不遠，并盡可能地靠近極板1，以減少屏蔽線距離。也可以將管道12連同主電路板2 —并置于屏蔽罩11的內(nèi)部，這樣設置的好處是可以減少屏蔽線帶來的雜散電容和外界環(huán)境對電路的干擾。在盡量去除外界環(huán)境干擾的情況下，測量大約可精確到0. Olpf，為圖像重建質(zhì)量提供了可靠的保證。本實用新型還可以通過上位機的測試軟件來進行編程，用來讀取和存儲測試結(jié)果，操作界面的上端提供了一系列選擇項，可以對端口，軟硬件濾波次數(shù)，接地極板，單通道及掃描采樣測量模式進行選擇，實現(xiàn)較好的人機交互。還可以通過濾波次數(shù)的選擇調(diào)整測量精度，濾波次數(shù)包括硬件濾波和軟件濾波。硬件濾波功能在C8051F700內(nèi)部，有1、4、8、16 次，可通過寄存器設置實現(xiàn)。軟件濾波是通過測量結(jié)果多次平均實現(xiàn)的，多次平均可大大提高結(jié)果的精度和穩(wěn)定性。測試軟件也可以選擇單通道操作或者整體掃描模式。單通道操作，可以獲得某通道極板與其他各極板間電容值。測量過程中，多采取掃描模式，可以一次性讀取每個極板與其他所有極板間的電容值，短時間內(nèi)為一幀圖像重建提供完整的電容值。該芯片電容采集速度快，很大程度上滿足了系統(tǒng)實時性要求。上位機所獲取的電容值不是實際電容值，而是極板間電容值與雜散電容之和，所以要去零點。本實用新型采用標準電容儀進行標定，測得空管狀態(tài)下各極板對之間的標準電容值。再用試驗狀態(tài)下各極板對間空管電容值減去標準值，得出每對極板間的固定雜散電容。各次測量結(jié)果都減去該固定值，得到真實的提供給重建算法的極板電容值。實時采樣結(jié)果即接地極板與其他極板間電容值會以方塊圖的形式顯示在中間界面，以數(shù)據(jù)形式顯示在中間界面的右側(cè)。歷次采樣結(jié)果記錄在界面的左下角。每次采樣結(jié)束后，點擊右側(cè)的保存結(jié)果，會將電容值以文本的形式保存下來，再經(jīng)過去零點運算，提供給圖像重建算法，進行圖像重建。本實用新型提出了一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，運行速度快、結(jié)構簡單、抗干擾能力強、測量精度易于控制、適合工業(yè)環(huán)境應用。
權利要求1.一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由電容傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和上位機構成，其特征在于所述電容傳感器為采用三維分布的極板(1)，極板(1)為矩形并設置在圓形管道(12)的外部，管道(12)外部設有屏蔽罩(11)，極板(1)分三層設置，每層設置四個，相鄰兩個極板之間的間距相等，相鄰兩層極板之間呈0 90°角旋轉(zhuǎn)式分布，極板(1)兩側(cè)還設置有接地的屏蔽環(huán)(13);所述數(shù)據(jù)采集裝置由主電路板(2)和外圍設備構成。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所述管道(12) 的直徑為L，以L/7.7為系數(shù)，極板(1)的參數(shù)為極板高度為2. 5L/7.7，極板寬度為4 L/7. 7，極板間徑向距離為2 L/7. 7，極板間軸向距離為2 L/7. 7。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所述主電路板(2) 由單片機及其外圍電路構成，單片機以C8051F700為核心，外圍電路包括極板電容輸入電路、供電電路、LED顯示電路以及串口輸出電路。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所述外圍設備為供電電源(21)和串口 USB轉(zhuǎn)換器(22)。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集裝置的主電路板(2)緊貼管道(12)外壁設置，并靠近極板(1)。
6.根據(jù)權利要求1或5所述的一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集裝置的主電路板(2)與管道(12) —并置于屏蔽罩(11)內(nèi)部。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所述的相鄰兩層極板之間呈45°角旋轉(zhuǎn)式分布。
專利摘要本實用新型涉及一種三維ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由電容傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和上位機構成，電容傳感器為采用三維分布的極板，極板為矩形并設置在圓形管道的外部，管道外部設有屏蔽罩，極板分三層設置，每層設置四個，相鄰兩個極板之間的間距相等，相鄰兩層極板之間呈0～90°角旋轉(zhuǎn)式分布，極板兩側(cè)還設置有接地的屏蔽環(huán)；數(shù)據(jù)采集裝置由主電路板和外圍設備構成。本實用新型提高了數(shù)據(jù)采集的速度，具有結(jié)構簡單、抗干擾能力強、測量精度易于控制等優(yōu)點，適于推廣應用。
文檔編號G01N27/22GK202256239SQ201120364189
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權日2011年9月27日
發(fā)明者周英鋼, 王伊凡, 王雪, 田大壯, 顏華 申請人:沈陽工業(yè)大學