專利名稱：高精度ect智能傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種ECT智能傳感器，尤其是應用于工業(yè)現(xiàn)場，具有較強的雜散電容抑制能力和較高的信噪比，是一種可實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呔菶CT智能傳感器。
背景技術：
電學成像作為一種新興的過程成像技術，具有非侵入、可視化、成本低、無輻射、響應迅速等特點，主要包括電阻抗成像(EIT)、電容成像(ECT)、電磁成像(EMT)等。其中電容成像(ECT)的原理是根據(jù)不同被測物體介電常數(shù)的變化，通過測量敏感電極間電容值的變化實現(xiàn)對被測物體的成像。由于被測電容的變化值非常微弱，因此系統(tǒng)雜散電容以及噪聲對測量結(jié)果的影響是電容成像技術的難點。電容成像技術廣泛應用于多相流體測量。在測量過程中，電容傳感器電極多為外置式，但管壁電容的存在會影響測量的線性度。設計內(nèi)置式電極，將電極直接與流體接觸， 可以消除管壁電容對電容測量造成的不利影響。然而，由于電容極板一般為銅、不銹鋼等金屬材料，抗腐蝕性能具有一定的局限性，且容易影響管道內(nèi)壁的光滑程度，因此內(nèi)置式的電容傳感器應用較少?，F(xiàn)有的ECT電容測量系統(tǒng)，如專利(申請?zhí)枮?1112515. 2，發(fā)明名稱為“電容層析成像電容測量系統(tǒng)”)，論文(1996年W. Q. Yang發(fā)表于《測量科學和技術》(Measurement， Science and Technology)的第7卷第3期，第225-232頁)均為所有的電容極板共享一個數(shù)字信號采集系統(tǒng)，將電容極板上的電壓信號通過電纜傳送給數(shù)字信號采集系統(tǒng)，經(jīng)其處理后再發(fā)送給成像計算機。在這種設計方案下，傳導模擬信號的電纜也成了雜散電容和系統(tǒng)噪聲的主要來源。在數(shù)據(jù)傳輸方面，如專利(申請?zhí)枮?00410001163. 8，發(fā)明名稱為“具備高速數(shù)據(jù)遠傳能力的電容成像裝置”)通過RS485總線技術連接電容傳感器和成像計算機，這樣就延長了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。然而，RS485在長距離傳輸過程中波特率仍然受到了一定限制，也影響了成像速度。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network,CAN)的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標準，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線具有傳輸距離長、速度快、抗干擾能力強、可接入節(jié)點多等優(yōu)點， 因此在工業(yè)現(xiàn)場的信息傳輸中已得到廣泛應用。天津大學何世鈞博士論文《電容層析成像系統(tǒng)的研究與應用》提出對ECT數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一采集后，采用CAN總線進行點對點傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和速度，但是沒有充分發(fā)揮CAN總線多點傳輸?shù)膬?yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術中存在的問題，本發(fā)明的目的是設計一種具有較強的抗雜散電容能力，較高信噪比以及長距離數(shù)據(jù)傳輸能力的ECT智能傳感器。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是提供一種高精度ECT智能傳感器，該智能傳感器設置于被測流體管道的內(nèi)管壁上，其中該智能傳感器包括有多個結(jié)構相同的敏感電容極板和信號處理電路板，所述多個敏感電容極板以圓周均布方式分布于被測流體管道同一截面的內(nèi)側(cè)，每個敏感電容極板的一側(cè)與螺柱的一端固定電連接，螺柱徑向向外穿過被測流體管道的管壁，螺柱在被測流體管道外側(cè)的一端與信號處理電路板固定電連接，敏感電容極板的另一側(cè)涂有涂層；信號處理電路板通過單片機自帶的閃存存儲器獨立編址，每個信號處理電路板通過CAN總線連接，同時該CAN總線通過CAN-USB轉(zhuǎn)換器連接到成像計算機的USB接口上，每個信號處理電路板通過CAN總線接收并執(zhí)行來自成像計算機的命令，采集到的模擬信號通過信號處理電路板轉(zhuǎn)換為成像所需的數(shù)字信號，經(jīng)CAN總線發(fā)送給遠端的成像計算機；所述智能傳感器外部有屏蔽層包圍，從屏蔽層內(nèi)部引出CAN總線用于與成像計算機通訊。本發(fā)明的有益效果是(1)采用經(jīng)特氟龍噴涂處理的專用內(nèi)置電極，既減少了管壁電容對成像效果的影響，提高了電容測量的線性度，也克服了被測流體對電容極板的腐蝕作用，使測量結(jié)果更加穩(wěn)定，應用領域更加廣泛，清洗沉積污垢的維護周期有望延長，電極的重復利用成為可能。(2)具有可編址功能的信號處理電路板“直接靠近”敏感電容極板，就近將微弱的模擬信號轉(zhuǎn)換為成像所需的數(shù)字信號，通過CAN總線傳送給遠端的成像計算機。有效減少了模擬信號的傳輸距離，降低了雜散電容和系統(tǒng)噪聲對成像效果的影響。(3)采用CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)電容傳感器與成像計算機的數(shù)據(jù)傳送， 使數(shù)據(jù)的傳輸距離延長，傳輸速度提高，在數(shù)據(jù)傳輸距離為1公里的情況下，仍可以保持 50kbps的傳輸速率；同時取消了多路選通裝置，簡化了系統(tǒng)結(jié)構。


圖1是本發(fā)明的高精度ECT智能傳感器截面結(jié)構示意圖；圖2是圖1的局部側(cè)視放大圖；圖3是本發(fā)明的信號處理電路板結(jié)構框圖。圖中1.敏感電容極板2.信號處理電路板3.螺柱4.被測流體管道5.屏蔽層6. CAN 總線7. CAN-USB轉(zhuǎn)換器8.成像計算機9.絕緣墊圈10.極板固定螺母11.電路板固定螺母12.涂層13.激勵信號源14.模擬開關陣列15.電容-電壓轉(zhuǎn)換電路16.交流可編程增益放大器17.模擬乘法器18.低通濾波器19.直流可編程增益放大器20.模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器21.數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器22.單片機23. CAN總線收發(fā)芯片
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的高精度ECT智能傳感器結(jié)構進一步說明。本發(fā)明采用內(nèi)置式敏感電容極板，在電容極板接觸流體的一側(cè)均勻的噴涂一層特氟龍。該涂層具有較高的使用溫度(300°C )，極低的摩擦系數(shù)，良好的耐磨性和極好的化學穩(wěn)定性。敏感電容極板在經(jīng)特氟龍噴涂處理后，具有非常好的抗腐蝕性，同時由于特氟龍介電常數(shù)穩(wěn)定且涂層均勻，因此涂層對成像效果的影響非常小，且可通過固定偏置補償。同時，本發(fā)明為每個電容極板單獨配備信號處理電路板，安裝在管道外側(cè)與電容極板臨近的位置，由電容極板輸出的模擬信號就近處理轉(zhuǎn)換成ECT成像所需的數(shù)字信號后，經(jīng)CAN總線傳輸?shù)竭h端的成像計算機。本發(fā)明的高精度ECT智能傳感器總體結(jié)構是，該智能傳感器設置于被測流體管道 4的內(nèi)管壁上，該智能傳感器包括有多個結(jié)構相同的敏感電容極板1和信號處理電路板2， 所述多個敏感電容極板1以圓周均布方式分布于被測流體管道4同一截面的內(nèi)側(cè)，每個敏感電容極板1的一側(cè)與螺柱3的一端固定電連接，螺柱3徑向向外穿過被測流體管道4的管壁，螺柱3在被測流體管道4外側(cè)的一端與信號處理電路板2固定電連接，敏感電容極板 1的另一側(cè)涂有涂層12 ；所述涂層12為特氟龍涂層，所述多個智能傳感器的敏感電容極板 1和信號處理電路板2的個數(shù)分別為8個或12個或16個或32個。信號處理電路板2通過單片機22自帶的閃存存儲器獨立編址，每個信號處理電路板2通過CAN總線6連接，同時該CAN總線6通過CAN-USB轉(zhuǎn)換器7連接到成像計算機8 的USB接口上，每個信號處理電路板2通過CAN總線6接收并執(zhí)行來自成像計算機8的命令，采集到的模擬信號通過信號處理電路板2轉(zhuǎn)換為成像所需的數(shù)字信號，經(jīng)CAN總線6發(fā)送給遠端的成像計算機8 ；所述智能傳感器外部有屏蔽層5包圍，從屏蔽層5內(nèi)部引出CAN 總線6用于與成像計算機8通訊。所述信號處理電路板2包括有激勵信號源13、模擬開關陣列14、電容-電壓轉(zhuǎn)換電路15、交流可編程增益放大器16、模擬乘法器17、低通濾波器18、直流可編程增益放大器 19、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器20、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器21、單片機22、CAN總線收發(fā)芯片23，其中激勵信號源13輸出固定頻率的正弦波電壓信號，同時發(fā)送給模擬開關陣列14的一個輸入端和模擬乘法器17的一個輸入端，模擬開關陣列14的另一個輸入端連接至電容-電壓轉(zhuǎn)換電路15的輸入，電容-電壓轉(zhuǎn)換電路15的輸出連接交流可編程增益放大器16的輸入，交流可編程增益放大器16的輸出連接到模擬乘法器17的另一個輸入，模擬乘法器17的輸出連接到低通濾波器18的輸入，低通濾波器18的輸出減去從數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器21輸出的偏置電壓，經(jīng)直流可編程增益放大器19放大，發(fā)送給模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器20，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 20輸出的數(shù)字信號發(fā)送給單片機22，單片機22通過CAN總線收發(fā)芯片23實現(xiàn)與CAN-USB 轉(zhuǎn)換器7的信號傳輸，CAN-USB轉(zhuǎn)換器7的輸出連接成像計算機8的USB接口，模擬開關陣列14、交流可編程增益放大器16、直流可編程增益放大器19和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器21均由單片機22控制，模擬開關陣列14的輸出與敏感電容極板1通過螺柱3連接。如圖1、圖2所示，該智能傳感器主要包括多個敏感電容極板1和信號處理電路板 2。其中敏感電容極板1為寬6mm，長13mm，厚Imm的銅板，通過軸向中心線上直徑3mm，高 5cm的螺柱3固定。敏感電容極板1與螺柱3采用一體化設計。安裝時，將螺柱3的一側(cè)徑向向外穿越被測流體管道4，使敏感電容極板1緊貼被測流體管道4的內(nèi)壁，然后從螺柱3 露出被測流體管道4的一側(cè)加絕緣墊片9，并用極板固定螺母10固定。敏感電容極板1與流體接觸的一側(cè)噴涂特氟龍涂層12。本發(fā)明適合于被測流體管道4內(nèi)徑大于等于8cm的圓型管道。信號處理電路板2的幾何中心設有一個直徑3mm的圓形孔，將信號處理電路板2 套在螺柱3上，再用電路板固定螺母11固定。螺柱3的作用是，一方面固定敏感電容極板 1和信號處理電路板2，另一方面實現(xiàn)敏感電容極板1和信號處理電路板2的電連接。
本發(fā)明的高精度ECT智能傳感器中，敏感電容極板1、信號處理電路板2以及螺柱 3的個數(shù)可設置為8、12、16、32、64等各種系列。所述智能傳感器中的多個敏感電容極板1 和信號處理電路板2以圓周均布方式位置相對的設置在被測流體管道4的同一截面處的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。該智能傳感器的多個信號處理電路板2通過CAN總線6連接，同時CAN總線6通過CAN-USB轉(zhuǎn)換器7連接到遠端成像計算機8的USB接口上。信號處理電路板2接收來自遠端成像計算機8的各種指令，實現(xiàn)校準、激勵、模擬電壓信號采集、模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等任務，數(shù)字信號通過CAN總線6發(fā)送給遠端的成像計算機8。每個信號處理電路板2都具有編址功能，遠端成像計算機8可通過地址信息分時采集數(shù)據(jù)。整個智能傳感器的最外層有屏蔽層5包圍，屏蔽傳感器整體。屏蔽層5接地，從屏蔽層5內(nèi)部引出CAN總線6用于與成像計算機8通訊。信號處理電路板如圖2、3所示，信號處理電路板2主要由激勵信號源13、模擬開關陣列14、電容-電壓轉(zhuǎn)換電路15、交流可編程增益放大器16、模擬乘法器17、低通濾波器 18、直流可編程增益放大器19、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器20、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器21、單片機22、CAN 總線收發(fā)芯片23組成。激勵信號源13由DDS芯片AD7008構成，其作用是產(chǎn)生正弦激勵信號，可直接輸出頻率為500kHZ，幅值為18V的正弦激勵信號。正弦激勵信號一方面發(fā)送至模擬開關陣列14 作為輸入，另一方面作為模擬乘法器17的一個輸入。模擬開關陣列14由一片ADG201芯片構成，由單片機22控制模擬開關陣列14的打開和關斷。模擬開關陣列14的輸出通過螺柱3連接到敏感電容極板1上，而兩個輸入一個連接到激勵信號源13的輸出，一個連接到電容-電壓轉(zhuǎn)換電路15的輸入。模擬開關陣列14的作用是通過單片機22的控制，可分別實現(xiàn)敏感電容極板1和激勵信號源13連接或與電容-電壓轉(zhuǎn)換電路15連接。當敏感電容極板1與激勵信號源13連接時，該智能傳感器處于激勵狀態(tài)；當敏感電容極板與電容-電壓轉(zhuǎn)換電路15連接時，該智能傳感器處于測量狀態(tài)。電容-電壓轉(zhuǎn)換電路15的輸出信號通過交流可編程增益放大器16，經(jīng)放大后輸出到模擬乘法器17。模擬乘法器17采用AD633芯片實現(xiàn)，模擬乘法器17的兩個輸入一個是電壓激勵信號，另一個則是交流可編程增益放大器16的輸出，模擬乘法器17將兩個信號進行乘法運算后輸出，再經(jīng)低通濾波器18濾波后得到相敏解調(diào)信號。低通濾波器18采用四階巴特沃茲濾波器，截止頻率為1MHz。低通濾波器18輸出的相敏解調(diào)信號減去數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器21輸出的偏置電壓， 經(jīng)直流可編程增益放大器19放大后，輸入到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器20。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器20 采用12位串行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片MAX144，單片機22通過SPI總線與其通訊，獲得被測電壓的數(shù)字量。數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器21采用12位串行數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換芯片LTC1456。交流可編程增益放大器16和直流可編程增益放大器19的增益由單片機22控制。單片機22通過CAN總線收發(fā)芯片23與遠端的帶有CAN-USB轉(zhuǎn)換器7的成像計算機8實時通訊，接收來自成像計算機的指令，并將采集到的輸出信號發(fā)送給成像計算機8。 CAN總線收發(fā)芯片23采用飛利浦公司生產(chǎn)的TJA1040芯片。 單片機22采用意法半導體公司生產(chǎn)的32位單片機STM32F103C4，該單片機為ARM Cortex-M3核，最高工作頻率為72MHz，且具有硬件SPI接口和CAN總線通訊協(xié)議。
權利要求
1.一種高精度ECT智能傳感器，該智能傳感器設置于被測流體管道(4)的內(nèi)管壁上，其特征是該智能傳感器包括有多個結(jié)構相同的敏感電容極板(1)和信號處理電路板O)，所述多個敏感電容極板(1)以圓周均布方式分布于被測流體管道同一截面的內(nèi)側(cè)，每個敏感電容極板(1)的一側(cè)與螺柱(3)的一端固定電連接，螺柱C3)徑向向外穿過被測流體管道的管壁，螺柱C3)在被測流體管道(4)外側(cè)的一端與信號處理電路板O)固定電連接，敏感電容極板(1)的另一側(cè)涂有涂層(12)；信號處理電路板( 通過單片機0 自帶的閃存存儲器獨立編址，每個信號處理電路板(2)通過CAN總線(6)連接，同時該CAN總線(6)通過CAN-USB轉(zhuǎn)換器(7)連接到成像計算機(8)的USB接口上，每個信號處理電路板( 通過CAN總線(6)接收并執(zhí)行來自成像計算機(8)的命令，采集到的模擬信號通過信號處理電路板( 轉(zhuǎn)換為成像所需的數(shù)字信號，經(jīng)CAN總線(6)發(fā)送給遠端的成像計算機(8)；所述智能傳感器外部有屏蔽層(5)包圍，從屏蔽層(5)內(nèi)部引出CAN總線(6)用于與成像計算機(8)通訊。
2.根據(jù)權利要求1所述的智能傳感器，其特征是所述信號處理電路板( 包括有激勵信號源(13)、模擬開關陣列(14)、電容-電壓轉(zhuǎn)換電路(15)、交流可編程增益放大器(16)、模擬乘法器(17)、低通濾波器(18)、直流可編程增益放大器(19)、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(20)、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(21)、單片機02)、CAN總線收發(fā)芯片(23)，其中激勵信號源 (13)輸出固定頻率的正弦波電壓信號，同時發(fā)送給模擬開關陣列(14)的一個輸入端和模擬乘法器(17)的一個輸入端，模擬開關陣列(14)的另一個輸入端連接至電容-電壓轉(zhuǎn)換電路(15)的輸入，電容-電壓轉(zhuǎn)換電路(15)的輸出連接交流可編程增益放大器(16)的輸入，交流可編程增益放大器(16)的輸出連接到模擬乘法器(17)的另一個輸入，模擬乘法器(17)的輸出連接到低通濾波器(18)的輸入，低通濾波器(18)的輸出減去從數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器輸出的偏置電壓，經(jīng)直流可編程增益放大器(19)放大，發(fā)送給模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (20)，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器OO)輸出的數(shù)字信號發(fā)送給單片機(22)，單片機0 通過CAN總線收發(fā)芯片03)實現(xiàn)與CAN-USB轉(zhuǎn)換器(7)的信號傳輸，CAN-USB轉(zhuǎn)換器(7)的輸出連接成像計算機(8)的USB接口，模擬開關陣列(14)、交流可編程增益放大器(16)、直流可編程增益放大器(19)和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器均由單片機0 控制，模擬開關陣列(14)的輸出與敏感電容極板(1)通過螺柱C3)連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的智能傳感器，其特征是所述智能傳感器的多個敏感電容極板⑴和信號處理電路板⑵的個數(shù)分別為8個或12個或16個或32個。
4.根據(jù)權利要求1所述的智能傳感器，其特征是所述涂層(1 為特氟龍涂層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高精度ECT智能傳感器，該智能傳感器由敏感電容極板和信號處理電路板組成，敏感電容極板表面經(jīng)過特氟龍噴涂處理，可直接接觸被測流體。特氟龍涂層具有較強的耐熱性和耐腐蝕性，表面光滑且介電常數(shù)穩(wěn)定，使測量結(jié)果更加穩(wěn)定，應用領域更加廣泛，清洗沉積污垢的維護周期有望延長，重復利用成為可能。信號處理電路板固定在敏感電容極板提供的螺柱上，就近采集來自敏感電容極板的模擬信號，經(jīng)處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過CAN總線發(fā)送給成像計算機，有效的縮短了模擬信號的傳輸距離，減少了雜散電容對成像效果的影響，接收指令后可自動完成電流激勵和數(shù)據(jù)采集任務。工業(yè)CAN總線接口具有抗干擾能力強，傳輸距離遠等特點，使成像計算機可遠離工業(yè)現(xiàn)場放置。
文檔編號G06F3/044GK102364420SQ201010261469
公開日2012年2月29日 申請日期2010年8月24日 優(yōu)先權日2010年8月24日
發(fā)明者崔自強, 王化祥, 王 琦 申請人:天津大學