厚管壁电容层析成像传感器特性研究

电容层析成像技术利用多电极电容传感器实现对多相流电介质分布进行可视化.通过对管道内径为10 mm,管壁厚度为5 mm的8电极电容传感器的数值模拟,研究了管道介电常数、管内介质介电常数以及径向电极对传感器电容绝对值、空满管电容变化值和传感器线性度的影响,分析了厚管壁下电容传感器的灵敏场特性,并给出了在高径极比条件下传感器设计的参数优化方案,为电容层析成像检测电路的设计提供相应的依据.     

双阵列式电容传感器的特性研究和参数优化

利用传感器相邻极板之间灵敏场不均匀的特点,建立了一种新型双阵列式电容传感器,并且引入1个新的目标函数来评价灵敏场在某个区域幅值的大小。通过有限元仿真的方式,分析了电极覆盖率、管壁介电常数、管壁厚度对灵敏场分布和目标函数的影响,并进行了优化设计,获得优化结构参数,为灵敏场分布的改善和传感器系统性能的提高提供了必要的理论基础。     

电极个数对厚管壁电容层析成像的影响

在高压浓相气力输送的条件下,对厚管壁电容传感器的成像进行研究。针对粉煤输送的管道内径小、管壁厚、压力高的难点,对电容层析成像传感器和成像算法进行了合理设计。分析了厚管壁下8电极和16电极ECT传感器的灵敏场特性,并得到不同电极对之间的电容值和不同流型下的仿真图像。将8电极传感器应用到输送压力为4.0 MPa的高压煤粉输送实验台上,可以对水平管道内气固两相流进行辨识。通过提高气体输送速度提高输送效率,为高压浓相气力输送技术提供有效的方法。     

电容层析成像系统中径向电极的研究

由于电容层析成像系统中电容测量非常困难,常采用在相邻电极间嵌入径向电极的方法来改善电容敏感场的分布.文中对8电极电容层析成像系统进行了具体的仿真实验和理论分析,并对径向电极及其嵌入尺寸对电容传感器的电容值及敏感场分布的影响进行了研究,根据各项参数对电容传感器性能的影响以及传感器结构参数的优化目标函数,确定了径向电极的最优嵌入尺寸.实验结果表明:采用径向电极最优嵌入尺寸的电容层析成像系统,能够缩小测量电容值的动态变化范围,降低数据采集电路的设计难度,同时还能够提高电容响应的灵敏度,改善电容传感器敏感场的分布,提高电容层析成像系统的性能.     

12电极电容层析成像的敏感场仿真研究

本文介绍了以１２电极电容传感器为基础的层析成像方法,着重研究了用ＦＥＭ进行敏感场和电极对电容的计算机仿真,给出了电极对电容的数字解表示式,讨论了负敏感场的处理方法。     

管道厚度对电容层析成像的影响

为了分析管道厚度对电容传感器的作用,定义了径极比(传感器管道内径与外径之比)的概念.通过ANSYS和MAT-LAB相结合的数值计算方式,探讨了8电极ECT传感器在不同径极比下的电容绝对值、电容变化值、电容变化率以及灵敏场的变化规律.随着径极比的增加,传感器电容对管内介质的灵敏度增加,且4种组合形式电极对的电容受管道厚度的影响程度有很大差异.仅采用LBP算法分别在不同径极比下重建层流、核心流和环状流图像.计算发现,高径极比下重建图像误差小,而在低径极比下层流的重建图像精度高于核心流和环状流.     

一种新型电容式空隙率传感器仿真研究

该文提出了一种侵入式多环套状结构电极的电容传感器,并研究它对气液两相流空隙率测量的可行性。通过建立多环套状电容传感器装置的有限元仿真数学模型,运用ANSYS软件对电容传感器有限元模型进行了二维静电场仿真。其分析了极板间的电位分布,计算不同相分布下传感器的电容及变化量,分析空隙率的设定值与仿真值对比结果,并以层流和环流为例比较并分析传感器的灵敏度以及受流型的影响。仿真结果表明,多环套状电极结构电容传感器可运用于两相流的空隙率测量技术上,为多环套状电极结构电容传感器的设计提供了部分理论依据。     

容栅传感器数学模型的研究

0 引言容栅传感器是一种新型的变面积式大位移电容传感器,被广泛应用于电子数显卡尺、高度尺和机床标尺中,具有测量范围大、结构小巧、抗干扰能力强和耗能少等特点。但在以往研究中存在下列问题:提出的等效电路不尽合理,没做过实测;未对激励电压做准确、细致的定量分析;未实测与拟合电容—位移之间的数量关系;未对接收电极上的信号进行计算机分析。为此,本文采用理论计算和实际测试相结合的方法,探讨其工作原理,提出新的等效电路,对激励电压、电容随位移变化关系以及接收电极上的输出信号进行研究。     

基于融合传感器的气固两相流参数检测系统设计

为了快速实现气固两相流输送过程中的多参数检测,设计了一种基于双圆环静电传感器和螺旋式电容传感器融合传感器的参数测量系统。采用螺旋电极电容传感器测量管内固相相对浓度,以降低电容传感器灵敏场不均匀对浓度测量的影响。将双圆环静电传感器的信号作互相关运算获得固相速度。由固相流速与相对浓度最终计算出固相质量流量,从而实现气固两相流的流速、浓度、流量等参数的综合测量。将系统测量的质量流量与重力传感器检测的质量流量相对比,两者误差小于7%,具有较好的一致性。     

厚度渐变结构介电性能测试用变间距叉指型相邻电容传感器设计

针对厚度渐变高分子结构介电性能检测问题,设计一种变间距叉指型相邻电容传感器。研究不同叉指个数和极板覆盖率对等间距叉指相邻电容传感器信号强度和穿透深度的影响,确定了单对叉指单元的宽度范围;研究单对叉指单元参数对相邻电容传感器性能的影响,得到单对叉指单元传感器的穿透深度;根据待测结构厚度变化规律,对组成叉指传感器电极的单个叉指单元的宽度和间距进行了优化设计,设计出变间距叉指型相邻电容传感器。仿真和试验结果表明,变间距叉指型相邻电容传感器的信号强度和灵敏度优于等间距传感器,该传感器更适合渐变厚度结构材料的介电性能检测。     

新型栅状电容式液位传感器原理及应用

针对传统电容式液位传感器在不改变体积的条件下只能通过减小电极间距来提高灵敏度的不足,设计了新型栅状电容式液位传感器.它采用栅状电极代替圆柱状电极,扩大了电极间空间,使被测介质的流动更为顺利并且提高了传感器的灵敏度,降低了工艺要求.给出了该传感器的实验数据,得到了比较满意的结果.     

油气润滑ECT传感器的轴向屏蔽电极及其影响*

建立UMIST型（带轴向接地屏蔽电极）和METC型（带轴向驱动屏蔽电极）油气润滑ECT传感器的三维物理模型,根据三维物理模型推导电容值和灵敏度数学表达式,并分析轴向屏蔽电极对传感器的敏感性和灵敏度均匀性的影响;采用线性反投影算法（Linear Back Projection,LBP）进行图像重建,并比较重建图像与真实图像的相对误差和相关系数。结果表明：2种轴向屏蔽电极均可消除边缘电容并提高传感器的敏感性;带轴向接地屏蔽电极使得传感器的灵敏度更加均匀,而带轴向驱动屏蔽电极的传感器则相反。带轴向接地屏蔽电极的传感器更适用于油气润滑中环状流的识别,其重建图像与真实图像的相对误差降低了28.79%,相关系数提高了14.05%。     

Inside-out electrical capacitance tomography

In this work we demonstrate the construction of an ‘inside-out’ sensor geometry for electrical capacitance tomography (ECT). The inside-out geometry has the electrodes placed around a tube, as usual, but measuring ‘outwards’. The flow between the electrodes and an outer tube is reconstructed; allowing the inside-out sensor to move inside the outer tube. A test sensor was constructed and capacitances were measured using the charge transfer technique. Sensitivity matrices for the inside-out sensor were calculated with a finite element approach and some special issues with the sensitivity matrices are discussed. An adaptation of the Landweber algorithm, which works very well for the inside-out geometry, is presented and a definition of the spatial resolution of an ECT sensor is suggested. Tomograms from a test run of an inside-out sensor are presented and measurements of watercut are compared with images obtained by a camera and a simple direct result based on the capacitance vector.     

可测量法向力和剪切力的带屏蔽软体电容传感器

软体电容传感器因其高柔顺性和高灵敏度等特征在人机交互、可穿戴设备和软体机器人中有很好的应用前景,然而电容检测很容易受到外界电磁场的干扰,因此提出了一种带屏蔽的软体电容传感器。为了能够同时检测法向压力和剪切压力,设计了一种三电极的双电容结构,同时在传感器上下表面添加屏蔽层来屏蔽外界电磁场干扰。为解决因屏蔽层变形产生的寄生电容对检测电容的影响,提出了一种刚度分层的方法,电极之间的电介质感知区域采用一种厚度仅约0.6mm的硅胶海绵结构,而电极和屏蔽层之间采用实心硅胶,从而保证按压传感器时感知区域的变形远大于屏蔽层。实验结果表明,传感器可以同时检测法向压力和剪切压力的变化,法向灵敏度可达到0.12kPa^-1,单位剪切压强的电容变化达10fF,与不带屏蔽的传感器相比,该传感器可将交流高压(1400 V)电场引起的噪声减小到9%。这种带屏蔽的传感器在电吸附皮肤、软体机器人、可穿戴医疗设备等电磁干扰较强的环境中具有潜在的应用价值。     

电容层析成像系统传感器设计新方法

在电容层析成像系统中,为了提高重建图像的精度,常用的方法是提高成像传感器的极板数目,以获得较多的图像重建所需的独立电容测量值数目,但这种方法是以牺牲检测场的灵敏度为代价的。该文提出了一种在有限极板数条件下通过改变极板的组合方式成倍提高成像系统的独立电容测量值数目的方法。仿真结果表明该方法在不降低检测场灵敏度的前提下提高了电容测量值数目,从而提高了图像重建质量。     

双面静电封接工艺在硅电容传感器中的应用

硅电容传感器由于其结构的精密性与灵敏性,常规的静电封接工艺已无法满足要求。封接后会造成其小间隙(间隙通常<10μm)极板间的粘连,导致器件失效。文中结合小间隙传感器的结构特点提出了一种双面同时封接的方法,并对封接相关参数进行了分析,确定了相应的封接条件。该工艺既解决了极板粘连问题又简化了工艺步骤,适合现阶段大规模生产的需求。     

Resonant enhancement of a passive coil-capacitance loop in eddy current sensing path

A passive resonant coupling loop was composed by connecting an inductive coil with a capacitance element in series. Without any electric connection with measurement circuits, the loop is coaxially inserted into the sensing path between the sensing coil and metallic target of an eddy current proximity sensor. When the sensor is working around the natural frequency of the resonant loop, the mutual coupling between the sensing coil and metallic target is efficiently improved. Home-made eddy current proximity sensing coils are experimentally tested in frequencies around 800 kHz. The results indicate that the equivalent inductance of the sensing coil performs more sensitively to metallic target distance. Thus the higher sensitivity and resolution of proximity sensor will be expected.     

A theoretical model for a capacitance tool and its application to production logging

A new theoretical model for a capacitance sensor used for measuring water holdup in production logging is proposed in this paper. The model realizes that the capacitance sensor is sensitive to oil droplets that collide against the sensor's inner electrode coated with an insulator when the water is electrically conductive and is the continuous phase in an oil/water bubbly flow. The sensor still has the ability to distinguish between oil and water in this case, its sensitivity decreasing with fluid velocity. The experiments were performed in a multiphase flow loop, and the results strongly confirm the theory. On the basis of the model, the measuring principle of the sampling-type capacitance tool is discussed, and an attempt to evaluate average oil droplet size with the capacitance sensor in the case of oil in water is also made.     

Capacitance sensor for void fraction measurement in water/steam flows

A capacitance sensor operating at RF range for void fraction measurements was developed. Two electrodes of the capacitor are mounted on the outer side of pipe walls. The variations in the percentage of phases in two-phase flow cause changes of the equivalent permittivity of the dielectric between the electrodes. The capacitor is connected in a resonant circuit of an oscillator tuned to high frequency of 80 MHz. The changes of frequency generated by the oscillator are the measure of the void fraction in the two-phase flow. An eight-channel system with capacitance sensors of this type was used for determination of the phase conversion along a steam injector.     

电容式空隙率传感器有限元仿真及优化

通过有限元软件ANSYS仿真,建立了电容传感器的2D模型,计算了电容传感器的敏感场分布.以敏感场的均匀度为评价函数,基于正交试验法得到了较优的传感器结构.