[发明专利]一种三维ECT数据采集系统

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种电容层析成像数据采集系统，特别涉及一种基于C8051F700的三维ECT数据采集系统，属于电容层析成像技术领域。

背景技术

电容层析成像系统，需要测量均匀分布在工业管道外壁的极板间电容，通过介质引起的电容变化获得管道内部物料或流体的可视化信息。而极板间电容值通常很小，本体电容大约在0.01pF到0.5pF左右，电容变化量更小，而杂散电容和耦合电容等测量干扰因素却很大，可以达到几十到上百皮法，这就对微小电容检测电路提出了很高的要求。

传统的电容检测方法有直流充放电和交流C/V转换等分立元件检测电路，转换速率低，难以满足系统实时性要求。分立元件结构复杂，易受外界环境干扰，抗干扰能力差，采用并行检测时电路多路切换开关难于控制并给电路带来更多的耦合电容，多路一致性也不好，抑制测量精度，严重影响成像质量。而三维传感器分布，极板间电容值更小，所需的测量范围更大，测量能力更强，这就为ECT系统电容测量提出了更大的挑战。

传统的电容数据采集系统普遍存在运行速度慢、结构复杂、抗干扰能力差、测量精度难于控制、不适合工业环境应用等一系列问题，亟待解决。

发明内容

发明目的：

本发明提出了一种三维ECT数据采集系统，克服了上述现有技术存在的缺陷，结构简单，抗干扰能力强，并且提高了测量精度。

技术方案：

一种三维ECT数据采集系统，由电容传感器、数据采集装置和上位机构成，其特征在于：所述电容传感器为采用三维分布的极板，极板为矩形并设置在圆形管道的外部，管道外部设有屏蔽罩，极板分三层设置，每层设置四个，相邻两个极板之间的间距相等，相邻两层极板之间呈0～90°角旋转式分布，极板两侧还设置有接地的屏蔽环；所述数据采集装置由主电路板和外围设备构成。

所述管道的直径为L，以L/7.7为系数，极板的参数为：极板高度为：2.5L/7.7，极板宽度为：4 L/7.7，极板间径向距离为：2 L/7.7，极板间轴向距离为：2 L/7.7。

所述主电路板由单片机及其外围电路构成，单片机以C8051F700为核心，外围电路包括极板电容输入电路、供电电路、LED显示电路以及串口输出电路。

所述外围设备为供电电源和串口USB转换器。

所述数据采集装置的主电路板紧贴管道外壁设置，并靠近极板。

所述数据采集装置的主电路板与管道一并置于屏蔽罩内部。

所述的相邻两层极板之间呈45°角旋转式分布。

优点及效果：

本发明提出了一种三维ECT数据采集系统，是对传统的二维电容层析成像数据采集方案的突破和改进，具有如下优点：

（1）、利用传感器的极板三维分布，合理的空间结构和分层旋转式的方法，为图像重建提供更加充分和准确的管道内部信息，提高了图像重建的真实性。

（2）、利用C8051F700芯片的自身优势，大大提高了数据采集的速度，对于每个输入电容值，电路最高转换速率可达40μs per input。实验表明，在理想情况下，对于12极板的电容层析成像，系统重建速度可达到140帧每秒以上，满足了在线管道内检测的实时性要求。由于芯片的多功能集成，用极少资源解决电容检测系统的各项问题，使整个硬件系统结构简单、轻便，易于靠近测试主体，规避外界环境，抗干扰能力强，对工业应用有更好的适应性。

（3）、系统本身有具有一定的杂散电容抑制能力和较高的精度，在尽量去除外界环境干扰的情况下，测量大约可精确到0.01pf，为图像重建质量提供了保证。

附图说明：

图1为本发明的电容传感器结构示意图；

图2为本发明主电路板的电路原理图；

图3为本发明整体结构示意图。

附图标记说明：

1、极板； 11、屏蔽罩； 12、管道； 13、屏蔽环；2、主电路板；21、供电电源；22、串口USB转换器；23、电容输入端口；L、管道直径。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不受实施例的限制：

传统的电容数据采集系统普遍存在运行速度慢、结构复杂、抗干扰能力差、测量精度难于控制、不适合工业环境应用等一系列问题，亟待解决。

为本发明采用单片机C8051F700，利用该芯片电容测量模块，高速以及高度集成的优势，解决上述问题。