相鄰電容傳感器設計及ECT技術研究.pdf

1、雖然電容傳感器是很早的技術之一，但是由于用于測量電容的外部電路以及電容傳感器在工藝制作方面的不足，直到近年來關于電容傳感器技術的應用才得到了突飛猛進的發(fā)展。從電腦、手機等電器設備的屏幕觸摸功能的廣泛應用，到電容斷層層析成像ECT(Electrical Capacitance Tomography,)技術的出現(xiàn)，都證明了電容傳感器技術尤其是相鄰電容傳感器技術在精密測試領域的有著廣闊的應用前景。相鄰電容傳感器的設計成為電容傳感器技術研究的熱

2、門課題。因此，研究相鄰電容傳感器的結構設計并結合具體系統(tǒng)工程中的應用給出更好的參數(shù)優(yōu)化規(guī)則，具有重要的理論意義和實際應用價值。
　　 本文主要圍繞相鄰電容傳感器在設計中出現(xiàn)的參數(shù)平衡問題，針對不同系統(tǒng)工程應用中的特殊要求，以軟件仿真與實際測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，對其工作原理及若干相鄰電容傳感器設計中的關鍵參數(shù)調試、參數(shù)確定、應用系統(tǒng)和新型工業(yè)應用ECT技術等進行了系統(tǒng)的深入研究。本文的主要工作及貢獻如下：
　　 1.給出了電容邊

3、緣效應在特定電容傳感器模型下的數(shù)學描述，證明了影響邊緣電容的傳感器設計參數(shù)。此外，針對目前應用較為廣泛的多種傳感器技術，深入探討了傳感器技術發(fā)展的背景、分類；研究了經(jīng)典傳感器技術——光電傳感器，壓電傳感器技術，相鄰電容傳感器技術的典型應用以及基本測量原理，系統(tǒng)實現(xiàn)方案、傳感器技術的優(yōu)缺點；補充了三類流行傳感器技術，并對此三類傳感器技術進行了基礎分析；結合已出現(xiàn)的多種傳感器技術及其在系統(tǒng)工程中應用，對其進行了操作原理的總結與主流應用歸類。

4、
　　 2.建立了相鄰電容傳感器的性能綜合評價標準體系，填補了以往在設計相鄰電容傳感器時沒有執(zhí)行或優(yōu)化標準的空白。將相鄰電容傳感器性能分為穿透深度，信號強度，測量靈敏度與圖像重組分辨率等。通過有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)對傳感器總體設計參數(shù)，包括相鄰電容傳感器極板幾何尺寸、材料選擇、極板數(shù)量、間距以及屏蔽層等，與傳感器測量性能之間的關系進行了定量分析，以驗證設計參數(shù)對測量性能影響的結論，并對如何

5、進行參數(shù)間的平衡優(yōu)化給出了定量化實驗結果。
　　 3.設計了三種用于工業(yè)電容斷層層析成像系統(tǒng)的ECT電容傳感器結構，包括矩形、正八邊形與傳統(tǒng)圓形ECT傳感器，并以圓形ECT傳感器為例，給出了傳感器設計參數(shù)總體優(yōu)化規(guī)則，對今后ECT傳感器設計起到了指導作用。通過仿真與實際測量實驗，推斷電容傳感器空間結構對于電容測量結果的影響。利用有限元法(FEM)，對傳感器進行了3D建模，數(shù)值分析與仿真，針對屏蔽保護極板對ECT傳感器測量結果的影

6、響進行了深入討論與分析，利用已優(yōu)化的ECT電容傳感器結合成熟的成像算法對實驗結果進行圖像重組，效果理想。
　　 4.設計了一種針對未知液體安全特性檢測的基于電容傳感器技術的系統(tǒng)，彌補了在安全檢測方面，對液體等非導電，非金屬物質的檢測空白。圍繞其中的關鍵技術進行了深入系統(tǒng)的研究；明確了利用相鄰電容傳感器技術實現(xiàn)該系統(tǒng)工程的可行性與重要意義；設計了帶狀4極板平面板電容傳感器與柱型8極板電容傳感器兩種多極板相鄰電容傳感器結構，并進行了

7、詳細的分析與討論，總結了各傳感器結構的優(yōu)缺點；針對柱型8極板電容傳感器進行了大量軟件仿真與實際測量實驗；提出了將快速圖像重組技術應用于液體特性檢測中的理論。通過大量的成像實驗，驗證了設計的柱型8極板電容傳感器在保證分辨率的情況下能夠大量的降低系統(tǒng)成本，并且可以應用于未知液體特性檢測系統(tǒng)。
　　 5.設計了一種基于相鄰電容傳感器的車輛雨霧檢測控制系統(tǒng)，并提出了一種傳感器優(yōu)化設計方案。該系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛擋風玻璃上的雨霧量自動控制雨刷