技术领域
[0001] 本
发明属于电阻层析技术领域，具体涉及一种内置三层结构、旋转电极的多点数据采集传感器的
硬件系统设计。
背景技术
[0002] 一般传统的电阻层析数据采集系统的激励电极
测量电极都是固定的，因此测量和
采样位置也是固定的。这就意味着无论采用多高的采样
频率，可采集的空间位置都必然受到很大的限制，而且获得独立测量数也是十分有限的。这是因为传统电阻层析数据采集系统中的传感器与外置的
数据处理芯片用数据线物理连接，因此传感电极的位置必须固定，从而无法全方位的量测。目前工程上已经采用过的改进方案有两类：一类是增加电极数以获得更多的测量值；另一类是加快采用频率以获得更多的测量值。但是前一种方法必须大幅度
修改目前
电路芯板的硬件和相应的
软件系统，可改进的空间已经达到极限。而后一种方法仍然存在大量对于同一检测对象的观察“死
角”，并且不同频率
下采样必然存在的时滞难以确定。这就希望在维持当前数据采集系统芯板结构的
基础上，最大程度扩大独立的测量数并极大地扩大空间的可测量范围。一般情况下，现有的
数据处理系统采样频率可以达到每秒500多副图，完全可以满足实时性的要求。因此在此条件下，改变电极传感器的结构极大地增加独立测量数完全有可能。
发明内容
[0003] 本发明的目的是克服
现有技术的上述不足，提供一种电阻层析数据采集传感器，在无需改变当前传统的数据采集软硬件系统的情况下，解决现有传感系统难以实现的空间多点测量问题，实现已有资源既充分又经济的利用。为此，本发明采用如下技术方案：
[0004] 一种内置旋转电极的电阻层析数据采集传感器，包括同心的外层
支撑圆环、中层支撑圆环和内层支撑圆环，所述的外层支撑圆环与内层支撑圆环之间固定连接，在所述的外层支撑圆环上排布有多个外层电极，在所述的内层支撑圆环上排布有多个内层电极，在中层支撑圆环的内表面和外表面分别排布有多个内引导电极和多个外引导电，各个内引导电极和各个外引导电极分别连接在中层支撑圆环的内表面和外表面上，并能够在中层支撑圆环的内表面或外表面的法线方向上移动；内引导电极、外引导电极和内层电极的数目均相等，并是外层电极数目的k倍；外引导电极和内引导电极的连接方法如下：相邻的k个内引导电极，设第一个内引导电极与第一个外引导电极无错位连接，则该k个相邻的外引导电极，从第一个内引导电极开始，依次与外引导电极之间采用无错位连接、内错一位连接、内错两位连接，直至第k个内引导电极内错位k-1位连接，下一组相邻的k个外引导电极，再重复上述的连接方式，如此循环，直至所有的内引导电极与相应的外引导电极相连；从每个外层电极引出一条
导线，中层支撑圆环受位置驱动
电机的驱动而旋转；在位置
驱动电机经历k次步进后，可实现对内层所有测量点的测量。
[0005] 作为优选实施方式，所述的内置旋转电极的电阻层析数据采集传感器，其特征在于，各个内引导电极和各个外引导电极通过
弹簧分别连接在中层支撑圆环的内表面和外表面上；所述的内层电极、外层电极、内引导电极和外引导电极均匀排布在各自所在的支撑圆环上；所述的电阻层析数据采集传感器还包括与位置驱动电机相连的时钟
开关，用于确保电机每步进一次的时间与采样一次时间相同。
[0006] 本发明的中层支撑圆环可固定在一个旋转座上，所述的中层支撑圆环通过旋转座受位置驱动电机的驱动而旋转。也可以采用下列方式实现中层电极的步进旋转：在中层支撑圆环和外层支撑圆环之间设置有至少一圈滑槽，在中层支撑圆环与内层支撑圆环之间也设置有至少一圈滑槽，在各个滑槽内设置有滚珠架和滚珠，中层支撑圆环与外层及内层支撑圆环之间通过滚珠相连并能相对滑动。
[0007] 本发明利用固定在中间支撑环上的外引导电极和内引导电极，将内层探测电极通过错位引线与外层数据采集系统相连。在对中间支撑环多次步进后，所有的内层电极均可被遍历。本发明在不改变传统电学层析数据测量的基础上，仅仅增加一个利用位置驱动电机驱动的旋转
中间层，就可以实现检测对象的多点测量，并极大地增加独立测量数。
附图说明
[0008] 图1为本发明中层内置旋转电极结构剖面示意图。
[0009] 图2为本发明所示传感器整体横截面示意图。
[0010] 图3为本发明对应传感器的轴向剖面图。
[0011] 附图标记说明如下：
[0012] 外层:外层电极（可称为
接触电极）与数据处理芯片之间的数据线-0、外层电极的支撑圆环-1、16个接触电极-2；
[0013] 中层:位于中层支撑圆环外表面的16×3=48个内引导电极-3、圆环外表面16×3=48个外引导电极-4、内、外引导电极之间的
连接线-5；滚珠及滚珠架-10、位置驱动电机-11、
定位开关-12，以及U形滑槽-13，
驱动轮-14；
[0014] 内层:48个内层电极（可称为探测电极）-8和内层电极的支撑圆环-9。
具体实施方式
[0015] 下面结合附图1、图2和图3对本发明
实施例的结构与技术原理予以说明。
[0016] 本发明的传感器的结构包含三层，其中，内外层固定在一起，外层电极组和内层电极组相互位置不发生变化，而中间层可旋转。各层的基本组成如下：将各个外层电极连接到数据处理芯片的多根数据线0；外层结构包括外层电极的支撑圆环-1、16个接触电极-2，外层支撑圆环通过绝缘
垫片和
螺栓固定了16个内层接触电极-2；中层结构包括中
碳钢制作的中层支撑圆环，通过绝缘垫片和螺栓固定在的中层支撑圆环内表面的16×3=48个内引导电极-3、通过绝缘垫片和螺栓固定在中层支撑圆环外表面的16×3=48个外引导电极-4、中层支撑圆环内外表面电极分配连接线-5、滚珠及滚珠架-10、驱动电机11、时钟开关-12，中层支撑圆环与内层和外层之间各设置有两道U形滑槽-13；内层上包括48个探测电极-8、和内层电极的支撑圆环-9。
[0017] 在外层的电极布置以及与中心数据处理芯片的数据通讯方式都与传统的电学层析数据采集系统一样。中间层主要包括中间支撑圆环，内引导电极和外引导电极。设置在中间支撑圆环内外表面的每个引导电极底部固定一个弹簧，允许每个电极沿中层支撑圆环的内表面或外表面法向垂直移动，即电极从完全与表面保持同一平面到高出1cm,以保证内外层电极与中层的外引导或内引导电极在一定弹簧压
力下有效接触形成电路回路，并抵消多次运用后电极表面磨损引起的接触不良。本实例外层所使用的电极数目是依照当前传统工艺中最常用的16电极系统设计的。面向具体检测对象管道半径和时间及空间
分辨率要求都不同，合理的选择传感器的数目以及大小，可有效地提高测量
精度范围和独立测量数。所有三层的每个电极的横截面都是圆形，以有利于通过中层接触形成数据传导的通路，外层放置一层金属屏蔽层起到静电屏蔽和支撑各层传感器的作用，整体结构如附图1、图2和图3所示。
[0018] 中层是整个发明和设计的核心所在。内引导电极和外引导电极的电极数各是外层电极数的三倍，内表面的每相邻的三个内引导电极，依次从处于同一个径向上的电极开始的三个电极使用无错位连接、内错一位连接和内错两位连接，如此循环至圆环上的所有电极。按照这样的连接方式仅仅需要旋转中间层，则外层测得检测空间所有48个不同的空间位置。中间支撑环与内层支撑环和外层支撑环之间均设置有上下两层高度位置完全对应的“U”形滑槽，通过内外层和中间层滑槽中的滚珠架相连接。步进电极固定在中间支撑环上，位置驱动电机的两个驱动轮与滚珠的直径相等并在下部滑槽中占两个滚珠位置，接通动力电源后，带动中间层电极旋转。中层支撑圆环内外分别有上下两个滑道。配置的时钟开关保证电机每步进一次的时间与采样一次时间相同，从而数据采集与步进同步完成。
[0019] 通过旋转电极每一次步进的一个短时间，施加一个值可控的直流激励在一对相邻的电极上，在此直流激励脉冲所产生的
电流穿过检测对象到达边界测量电极后，由于检测对象不同的电导率分布就会改变电位的强弱，因此相对于撤去检测对象后的均匀分布空场，这种变化将通过每对相邻电极的增量方式度量出来。中层48个电极按照彼此间隔两个电极分为三组，到测量每次步进依次激励和测量三组中的包含16个电极中一组，三次步进后所有中层测量电极被使用；时钟开关在获得外界数据采集系统记录完成的
信号后，控制中间
转子进行下一次步进，通过中间与外表皮连线形成下一组测量电极的测量，中层电极在三次旋转步进后所有的内层测量电极被遍历，从而获得所有空间位置的测量值。每次步进周期不大于0.005秒，步进速度的设置由检测对象流速和欲获取独立测量数确定。位置驱动电机为普通中
碳钢做
中轴1000
匝三层线组。在低速运行时，电机处于恒转矩调速工作区，电机处于比较理想的控制运行状态，电极测量值区分度大
信噪比指标高。在高速运行区，当速度需要大幅调整运行时，由于电极的接触
电压使得电极测量值区分度小信噪比指标较低高。为了克服这种问题只需在特定的速度下，通过外接电源施加一个幅值可控的电流脉冲，就可以有效地抑制接触电压并提高信噪比。内层的金属隔层保证了中层电机电
磁场不会影响检测对象电势场分布；而外接金属屏蔽层是对外界电势场起到静电屏蔽的作用。
[0020] 本实施例的数据处理
服务器采用16电极相邻激励和测量模式。对于内层第一组16个间隔为2的电极，1-2号电极用于电流激励时，则3-4号，5-6号，…，15-16号电极对用于测量电位变化；重复这个过程分别用3-4号，3-4号，5-6号，…,15-16号电极激励，最终得到16个测量电压；接着中层做一次步进，相应于内层第二组16个间隔为2的电极，同样得到16个测量电压；中层再做一次步进，相应于内层第二组16个间隔为2的电极，再次得到16个测量电压。三次步进后内层所有的电极被遍历，总共获得3×16=48个测量电压用于同一检测对象的检测分析，如参数分析和图像重构等。
[0021] 除了内层旋转电极与传统的固定电极两者不同外，对于每一次步进获得电压测量值的通讯和分析与传统传感器，以及外层的结构都是完全相同，具体制作和设计方式也完全相同。同时电机的端盖，机座，冷气
风扇，风罩，
定子铁心，电极转子绕组的绕制、绝缘、嵌线、浸漆、烘干、压入机座等制作工艺与传统的电机完全一样。中层使用碳钢制作，中层内外表面均带有柱状垂直槽，底部安置中空弹簧，数据线通过弹簧中部与内外皮电极相连，步进传感器与时钟开关
固化在一起，每接到一个数据采集命令，则电极带动驱动轮旋转，从而带动内层转动（步进）一次，它们一起置于一个支撑中层电极的滑槽内“U”。内层通常是被固定在在管壁上的，滑槽也是固定在内层外表面上，滑槽内嵌入电机电路。外层也被固定在滑槽外层，保持与中层相应电极能够接触形成电流回路的位置。按照设计要求制作好传感器外层、中层和内层以及各零部件后，即可组装成所述的内置旋转电极的电阻层析多点数据采集传感器。
[0022] 值得说明的是，使中间层步进旋转的方式很多。本实施例利用在各个支撑环之间开设上下两层相对应的滑槽，在滑槽内安装滚珠的方式，实现电机驱动中间层的步进旋转；也可以将中间支撑环固定在一个旋转座上，由电机驱动旋转座而实现中间层的步进旋转。
[0023] 本实施例设定内层电极数是外层电极的3倍。一般地，随着测量对象所在物场二维分布区域更小或者更大时，内层电极数是外层电极的2倍、4倍或者更多倍。只需要在前述设计中“…内表面的每相邻的三个电极，依次从处于同一个径向上的电极开始的三个电极使用无错位连接、内错一位连接和内错两位连接，如此循环至圆环上的所有电极。…”改为“…内表面的每相邻的两个(或4个及更多)电极，依次从处于同一个径向上的电极开始的两个(或4个及更多)电极使用无错位连接(或内错一位连接、内错两位连接、内错三位连接等等)，如此循环至圆环上的所有电极。…”按照这样的连接方式仅仅需要旋转中间层，则外层测得检测空间所有不同的空间位置所布置的电极。
