[发明专利]一种集成式电容-超声层析成像传感器

说明书

技术领域

本发明属于传感器设计领域，尤其涉及一种集成式电容-超声层析成像传感器。

背景技术

燃烧过程中火焰的分布常常与燃烧的状态密切相关。例如火焰充满度，着火点，火焰的长度和张角等，是燃烧的重要参数。另外，燃烧中火焰的闪烁频率，也往往和燃烧的稳定性有关。因此，对于火焰的空间分布，以及闪烁频率的检测，是燃烧状态诊断和燃烧器研发等重要的方法和手段。

电容层析成像技术是随着计算机技术和检测技术的进步发展起来的新一代参数检测技术，其英文名称为Electric Capacitance Tomography，简称ECT。类似于为人熟知的医学CT，ECT以传感器件以电极阵列从外部环绕流动通道的被测截面，通过扫描的方式依次测定所有电极对之间的电容值。被测截面内物质分布的变化将造成所测电容值的相应变化，ECT则根据所测的电容值，通过图像重建的过程重建出被测截面内的物质分布。与医学CT相比，电容层析成像的速度领先数十倍甚至百倍以上，可以实现非稳态过程的实时测量，并且安全、经济、灵活；与光学测量相比，电容层析成像则不受设备透光性的影响。

ECT的测量对象可以是多种多样的，包括气-固两相流、气-液两相流、固-液两相流、具有不同介电系数的液-液两相流，以及固-液-气三相流等多相流。一个常见的应用对象是不同液体的管道中的相分布测量，例如采油工程中管道内的油-水两相流，或油-气-水三相流中油的截面分布乃至流量测量。由于ECT测量电极可以围绕测量空间的外围安装，所以ECT传感器本身不会对管道内的流动造成影响，是一种非介入式的测量技术；同时，ECT还能获得所测量的截面上的完整的物质分布图。

超声转换器或超声换能器，其英文名称是Ultrasonic Transducer，使用超转换器作为传感器，并综合运用声学原理中超声传播速度在不同介质中的显著差别以及声波传播速度与温度之间的关系，可以对截面物质分布和温度场分布进行图像重建，这种超声成像技术，是另一种新兴的非介入式成像技术。采用超声法可以测量管道内部的一个截面多相流分布，同时也可以测量气流或者液流甚至多相流的温度场，解决了热电偶对流场的干扰，同样对管道内流场不造成影响，同时改善了热电偶测量法实时性差的问题，并且解决了点测的片面性问题，可以全面得到该截面的温度分布，但是超声法对于多相流的测量成像效果并不如电容层析成像那么精确，但是，结合了超声法和电容层析成像的ECT-UST传感器，结合两种方法的优点，并利用统一的图像重建算法，可以完成对封闭通道或燃烧空间的火焰燃烧状况以及截面物质分布和温度分布的综合检测。

电容层析成像和超声层析成像，是两种各有侧重的测量方法，但是，这两种方法又有很多相似的地方，二者都是非介入式测量方式，对于测量空间的内部运动都几乎不造成影响，同时，这两种检测方式又可以使用统一的图像重建算法，因此，将这二者综合结合运用是一种非常理想的检测方案。

发明内容

针对背景技术中提到的在金属管道系统中，无法实现在不影响设备的结构和机械性能的同时，以不干扰流体流动的方式进行管道截面上相分布的测量的问题，本发明提出了一种集成式电容-超声层析成像传感器。

一种集成式电容-超声层析成像传感器，其特征在于，所述传感器包括电容层析成像传感器和超声层析成像传感器；所述电容层析成像传感器所在的平面与超声层析成像传感器所在的平面相互平行；超声层析成像传感器平行于电容层析成像传感器，与电容层析成像传感器相隔一定距离，环绕燃烧通道布置，电容层析成像传感器阵列紧贴燃烧通道的外壁，完全不影响通道内的所有状态；

所述电容层析成像传感器包括一个或多个测量电极模块；所述测量电极模块采用三层印制电路板的结构，包括内板、电极阵列板和外板；所述内板形成测量通道的内壁；所述电极阵列板的中间为非导电的材料的基板；所述基板朝向测量通道的一面为正面，布置测量电极、测量电极引线、测量电极之间的屏蔽电极以及测量电极两端的端部屏蔽电极；所述基板的另一面为背面，布置屏蔽电极；所述外板构成电容层析成像传感器外侧；

其中，所述测量电极之间的屏蔽电极、测量电极两端的端部屏蔽电极和基板背面的屏蔽电极通过穿过基板的导线连接；

所述超声层析成像传感器由超声换能器阵列组成；所述超声换能器阵列包括N个超声换能器，其中一个超声换能器作为发射装置，剩余的超声换能器作为接收装置。

所述多个测量电极模块组合时，所形成的形状包括闭合形状和非闭合性状；所述闭合性状包括圆形、椭圆形和矩形；所述非闭合形状包括槽形和半圆形。