相鄰電容傳感器設(shè)計(jì)及ECT技術(shù)研究.pdf

1、雖然電容傳感器是很早的技術(shù)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(guān)于電容傳感器技術(shù)的應(yīng)用才得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。從電腦、手機(jī)等電器設(shè)備的屏幕觸摸功能的廣泛應(yīng)用，到電容斷層層析成像ECT(Electrical Capacitance Tomography,)技術(shù)的出現(xiàn)，都證明了電容傳感器技術(shù)尤其是相鄰電容傳感器技術(shù)在精密測試領(lǐng)域的有著廣闊的應(yīng)用前景。相鄰電容傳感器的設(shè)計(jì)成為電容傳感器技術(shù)研究的熱

2、門課題。因此，研究相鄰電容傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并結(jié)合具體系統(tǒng)工程中的應(yīng)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文主要圍繞相鄰電容傳感器在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的參數(shù)平衡問題，針對不同系統(tǒng)工程應(yīng)用中的特殊要求，以軟件仿真與實(shí)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(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)調(diào)試、參數(shù)確定、應(yīng)用系統(tǒng)和新型工業(yè)應(yīng)用ECT技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)的深入研究。本文的主要工作及貢獻(xiàn)如下：
　　 1.給出了電容邊

3、緣效應(yīng)在特定電容傳感器模型下的數(shù)學(xué)描述，證明了影響邊緣電容的傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，針對目前應(yīng)用較為廣泛的多種傳感器技術(shù)，深入探討了傳感器技術(shù)發(fā)展的背景、分類；研究了經(jīng)典傳感器技術(shù)——光電傳感器，壓電傳感器技術(shù)，相鄰電容傳感器技術(shù)的典型應(yīng)用以及基本測量原理，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案、傳感器技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)；補(bǔ)充了三類流行傳感器技術(shù)，并對此三類傳感器技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)分析；結(jié)合已出現(xiàn)的多種傳感器技術(shù)及其在系統(tǒng)工程中應(yīng)用，對其進(jìn)行了操作原理的總結(jié)與主流應(yīng)用歸類。

4、
　　 2.建立了相鄰電容傳感器的性能綜合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，填補(bǔ)了以往在設(shè)計(jì)相鄰電容傳感器時(shí)沒有執(zhí)行或優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的空白。將相鄰電容傳感器性能分為穿透深度，信號強(qiáng)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(shè)計(jì)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(guān)系進(jìn)行了定量分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)對測量性能影響的結(jié)論，并對如何

5、進(jìn)行參數(shù)間的平衡優(yōu)化給出了定量化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 3.設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)參數(shù)總體優(yōu)化規(guī)則，對今后ECT傳感器設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用。通過仿真與實(shí)際測量實(shí)驗(yàn)，推斷電容傳感器空間結(jié)構(gòu)對于電容測量結(jié)果的影響。利用有限元法(FEM)，對傳感器進(jìn)行了3D建模，數(shù)值分析與仿真，針對屏蔽保護(hù)極板對ECT傳感器測量結(jié)果的影

6、響進(jìn)行了深入討論與分析，利用已優(yōu)化的ECT電容傳感器結(jié)合成熟的成像算法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行圖像重組，效果理想。
　　 4.設(shè)計(jì)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(shù)的系統(tǒng)，彌補(bǔ)了在安全檢測方面，對液體等非導(dǎo)電，非金屬物質(zhì)的檢測空白。圍繞其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究；明確了利用相鄰電容傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)工程的可行性與重要意義；設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了

7、詳細(xì)的分析與討論，總結(jié)了各傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)；針對柱型8極板電容傳感器進(jìn)行了大量軟件仿真與實(shí)際測量實(shí)驗(yàn)；提出了將快速圖像重組技術(shù)應(yīng)用于液體特性檢測中的理論。通過大量的成像實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(yīng)用于未知液體特性檢測系統(tǒng)。
　　 5.設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛擋風(fēng)玻璃上的雨霧量自動(dòng)控制雨刷