一种多模态传感器的制作方法

1.本公开涉及测量技术和传感器技术领域，尤其涉及一种多模态传感器。


背景技术：

2.工业过程中，对于管道或反应器内部的含湿颗粒气固流动或油-气-水多相混合运输过程，实行有效的实时监测对于过程控制及优化至关重要。常用的单点测量获知的流动信息有限且破坏流场，无法为反应过程或流动过程提供完整的信息。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本公开提供了一种多模态传感器，以期至少部分地解决上述技术问题。
4.一种多模态传感器，包括：
5.多个信号融合采集组件，其中上述多个信号融合采集组件用于呈周向阵列分布在被测流体区域的围壁的同一截面高度处，上述多个信号融合采集组件用于采集上述被测流体区域的微波信号、电容信号和电阻信号，以便通过对上述微波信号、上述电容信号和上述电阻信号进行融合成像后得到上述被测流体区域的特征分布图像；
6.其中，每一上述信号融合采集组件包括：
7.微波/电容信号采集单元，用于交叉采集上述被测流体区域的上述微波信号和上述电容信号；
8.电阻信号采集单元，用于采集上述被测流体区域的上述电阻信号。
9.在其中一个实施例中，上述电阻信号采集单元嵌入设置在上述微波/电容信号采集单元上，以形成一体式结构的信号融合采集组件。
10.在其中一个实施例中，上述电阻信号采集单元和上述微波/电容信号采集单元间隔交错排列设置，以形成分体式结构的信号融合采集组件。
11.在其中一个实施例中，在上述被测流体区域中包含液体的情况下，上述微波/电容信号采集单元设置于上述被测流体区域的围壁的外侧，以便通过非接触式测量方式采集上述被测流体区域的微波信号和电容信号。
12.在其中一个实施例中，上述多模态传感器还包括：
13.阻隔板，其中上述阻隔板间隔夹设在上述微波/电容信号采集单元，和上述被测流体区域的围壁之间，其中：
14.上述阻隔板采用绝缘材料制成；
15.上述阻隔板的厚度范围为：0.1～0.5cm；
16.上述阻隔板外侧设置屏蔽金属层。
17.在其中一个实施例中，在上述被测流体区域中不包含液体的情况下，上述微波电容信号采集单元设置于上述被测流体区域的围壁的外侧或内测，以便通过非接触式或接触式测量方式采集上述被测流体区域的微波信号和电容信号。
18.在其中一个实施例中，上述微波/电容信号采集单元为：通过导电金属材料制成的片状结构，上述片状结构的厚度为0.3～0.5mm，上述片状结构的长度为高5～8cm。
19.在其中一个实施例中，上述多个信号融合采集组件在上述被测流体区域的围壁上的覆盖率为80％，上述信号融合采集组件的数量为：8～16个。
20.在其中一个实施例中，上述电阻信号采集单元，被设置为通过接触式测量方式采集上述被测流体区域的电阻信号。
21.在其中一个实施例中，上述微波/电容信号采集单元的外部设置有屏蔽金属壳。
22.通过本公开的多模态传感器，可以实现以下有益效果：
23.(1)由于多模态传感器将多个信号融合在采集组件中，并且多个信号融合采集组件呈周向阵列分布排列在被测流体区域的围壁的同一截面的高度处，能够收集同一截面的流动信息，便于测量数据融合互补，可以为反应过程或流动过程提供完整的信息；而且将多个信号采集器融合在一个组件中，使其的结构紧凑、制造简单，也容易安装。
24.(2)通过多模态传感器能够收集被测流体区域的微波信号、电容信号和电阻信号，利用收集的信号进行融合成像后可以得到被测流体区域的特征分布图像，可以获得反应过程电导率和介电常数的分布，进而解析出流动或反应过程关键热物理参数的分布(如浓度分布、湿度分布和流型和流态变化等)，进而实现不同测量方法的协同互补，实现对含湿颗粒气固流动或油-气-水多相混合运输过程的有效检测，能够满足实时监测的工业需求。
附图说明
25.图1是本公开一实施例中将多模态传感器的微波/电容信号采集单元设置于被测流体区域的围壁外侧的二维俯视结构示意图；
26.图2是本公开一实施例中多模态传感器的单个信号融合采集组件的结构示意图；
27.图3是本公开一实施例中一种多模态传感器的三维结构示意图；
28.图4是本公开一实施例中多模态传感器成像融合测量的方法流程图；
29.图5是本公开一实施例中多模态传感器中多个微波/电容信号采集单元和电阻信号采集单元以间隔交错排列方式的二维俯视结构示意图；
30.图6是本公开一实施例中将多模态传感器的微波/电容信号采集单元设置于被测流体区域的围壁的内侧的二维俯视结构示意图。
31.【附图标记说明】
32.1-多模态传感器；2-信号融合采集组件；21-电阻信号采集单元；22-微波/电容信号采集单元；3-被测流体区域；4-被测流体区域的围壁。
具体实施方式
33.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
34.电学层析成像技术为近些年发展起来的过程参数测量技术，在医疗、化工、能源等领域有着普遍应用。与传统测量手段相比，电学层析成像技术具有在非侵入被测介质的条件下，重构被测区域内物质的空间分布，从而获得更为丰富的流动信息，为反应过程或流动过程提供完整的信息。
35.电学层析成像传感器包括电容(electrical capacitance tomography-ect)、电阻(electrical resistance tomography-ert)、电阻抗(electrical impedance tomography-eit)和微波(microwave tomography-mwt)等。其中，电容层析成像和电阻层析成像因为具有结构简单、无辐射、成像速度快、低成本等特点，常应用于油水两相管道流和反应器内部非导电介质和导电介质流动过程的监测。
36.但是，对于含有湿颗粒气固流动过程或油-气-水多相混合运输过程等涉及介电常数和电导率同时发生变化的过程，单一层析成像传感器存在各自的局限性，适用范围有限。例如：
37.电容层析成像是根据测得的被测区域各电极对间的电容值，反推出被测介质空间介电常数分布的一种可视化测量技术。电容层析成像传感器仅能对非导电介质进行信息提取，当被测物体湿度较高时，此时的被测物质的电学性质已接近导体，电荷无法存储，超出数据采集系统的量程范围，进而无法进行电容的测量。因此，单一模态的电容传感器不能测量湿度较高的物质。
38.电阻容层析成像是根据测得的被测区域各电极对之间的电流，反推出被测介质空间电导率分布的一种可视化测量技术。电阻层析成像仅适用于导电过程，当被测物体的湿度较低时，导电率极低，无法获得电流信号，进而无法进行电阻的测量。因此，单一模态的电阻传感器不能测试湿度较低的物质。
39.微波层析成像是一种非接触式测量技术，其原理为用微波照射被测物体，然后通过物体外部散射场的测量值来重构物体的复介电常数分布，从而可反推出物体的浓度分布。常温下水的复介电常数虚部较大，约为40，而常见颗粒介质，如河沙、煤粉干燥条件下的值均小于1。利用这个特点，同时结合复介电常数实部信息，可根据微波层析成像来计算介质湿度分布。虽然微波层析成像可以进行宽范围内的导电率测量，但其成像速率慢，每秒最多30帧，不能实现实时检测；与上述的电容层析成像和电阻层析成像的电学方法相比起成像质量较低。因此，需要开发能够适用于上述复杂的多相流动、高时间分辨率和空间分辨率的双模态或多模态层析成像传感器。
40.多模态传感器融合技术是指利用多种电学传感器对某一对象进行测量的方法，如电容层析成像和电阻层析成像的融合，该技术可以实现不同测量方法的功能互补。现有技术中的双模态电学层析成像传感器是基于电容和电阻或电容和微波的组合，例如：
41.(1)一种电容和微波组合的传感器，该传感器只涉及电容和微波两个模态，并且两个传感器是独立分开的，位于被测流体区域的不同的截面，获取的流动信息有限；
42.(2)一种电容和压力传感器的组合，但是其不涉及多模态电学层析成像传感器的融合；
43.(3)一种电容和电阻的融合，其测量过程不能同时发射激励信号，也不能同时获得电阻和电容信号，其测量受制于其自身电路设计的影响，属于分步测量；
44.(4)一种微波和电阻抗单电极传感器组合，通过测量获得截面均值测量，但是其无法给出测量截面的分布信息；
45.(5)一种分离式多模态融合的三维成像系统，属性光学断面层析成像测量，是通过发射源的旋转获得多角度信息的获取。
46.基于对现有技术的分析可知，现有技术中的多模态传感器均无法应用于含湿颗粒
气固流动或油气水多相混合运输过程的实时检测。
47.因此，针对含湿颗粒气固流动或油-气-水多相混合运输过程检测的需求，需要根据反应过程具体参数的时变信息，融合mwt、ect和ert三种传感器，对反应过程进行关键信息检测，进而对反应过程进行实时有效的调控。
48.本公开提出的多模态传感器是指利用微波/电容/电阻多种传感器对同一过程或对象进行数据采集，通过融合成像后得到被测同一过程或对象的特征分布图形，获得反应过程电导率和介电常数的分布，进而解析出流动或反应过程关键热物理参数的分布(如浓度分布、湿度分布等)，进而实现不同测量方法的协同互补，实现对含湿颗粒气固流动或油-气-水多相混合运输过程的有效实时检测。
49.图1是本公开一实施例中将多模态传感器的微波/电容信号采集单元设置于被测流体区域的围壁外侧的二维俯视结构示意图；图2是本公开一实施例中多模态传感器的单个信号融合采集组件的结构示意图；图3是本公开一实施例中一种多模态传感器的三维结构示意图。
50.如图1至图3所示，本公开涉及一种多模态成像传感器1，包括：多个信号融合采集组件2。其中，每一信号融合采集组件2包括：电阻信号采集单元21和微波/电容信号采集单元22。电阻信号采集单元21，用于采集被测流体区域3的电阻信号。微波/电容信号采集单元22用于交叉采集被测流体区域3的微波信号和电容信号。
51.电阻信号采集单元21嵌入设置在微波/电容信号采集单元22上，以形成一体式结构的信号融合采集组件2。
52.多个信号融合采集组件2用于呈周向阵列分布在被测流体区域3的围壁4的同一截面高度处，多个信号融合采集组件2用于采集被测流体区域3的微波信号、电容信号和电阻信号，以便通过对微波信号、电容信号和电阻信号进行融合成像后得到被测流体区域3的特征分布图像。
53.通过本公开实施例，将微波/电容信号采集单元集成到片状结构的电极中，用于微波信号和电容信号的采集；将点式的电阻信号采集单元嵌入设置在片状结构电极的微波/电容信号采集单元中心，进行电阻信号的采集，形成一体式结构的信号融合采集组件。利用switch开关(电子开关)可以将需要的信号高速切换的特性，实现了被测流体区域的微波信号和电容信号实时交叉采集，可以用于测量不同频率范围内具有电导率和介电常数均发生变化的反应和流动过程，如流化床颗粒制备过程、油-气-水多相混合运输过程等。同时，通过这种信号融合采集组件的结构设计，使组件的结构紧凑、制造简单，容易安装。
54.通过本公开的实施例，将多个信号融合采集组件呈周向阵列分布排列在被测流体区域的围壁的同一截面的高度处，实现了多个信号同一截面的流动信息采集，便于测量数据的融合互补；对多模态传感器收集的被测流体区域的微波信号、电容信号和电阻信号进行融合成像，可以得到被测流体区域的特征分布图像，对获得的特征分布图像进行解析，可以获得反应过程中电导率和介电常数的分布，进而解析出流动或反应过程关键热物理参数的分布(如浓度分布、湿度分布等)，能够满足实时监测的工业需求。
55.本公开的一种多模态传感器1，还包括：阻隔板，其中阻隔板间隔夹设在微波/电容信号采集单元22，和被测流体区域3的围壁4之间，其中：阻隔板采用绝缘材料制成，其材料可选为陶瓷、聚氯乙烯(pvc)、有机玻璃板(聚甲基丙烯酸甲酯)等；阻隔板的厚度范围为：
0.1～0.5cm，可选为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5cm；阻隔板外侧设置屏蔽金属层，被测流体区域的围壁的材质可选为导电材料或非导电材料。
56.通过本公开的实施例，利用组隔板将多模态传感器与被测流体区域的围壁相隔开，防止微波/电容信号采集单元损坏，起到一定的保护和支撑作用；将组隔板的厚度设置为0.1～0.5cm，便于微波信号穿过组隔板到达微波信号采集单元，进行微波信号的采集，而且本公开的多模态传感器也实现了在导电介质和非导电介质下的有效测量，满足了实时测量的工业需求。
57.根据本公开的实施例，电阻信号采集单元21被设置为通过接触式测量方式采集被测流体区域3的电阻信号。
58.根据本公开的实施例，微波电容信号采集单元22为通过导电金属材料制成的片状结构，片状结构的厚度为0.3～0.5mm，可选为0.3、0.4、0.5mm等；片状结构的长度为高5～8cm，可选为5、6、7、8cm等；并在微波/电容信号采集单元22的外部设置有屏蔽金属壳。
59.通过本公开的实施例，基于微波的阻抗特性，微波/电容信号采集单元需要一定的厚度和高度来降低微波的阻抗效应，增加微波的谐振效应，提高输出信号的信噪比，所以可以根据被测流体区域的围壁的厚度、高度，来确定微波信号采集单元的厚度和高度值。在微波/电容信号采集单元的外部设置屏蔽层和吸波材料可以有效的减少外部信号对测量电容的干扰以及减少微波反射信号对测量微波信号的影响，如电磁波、人为的走动的信号等。
60.根据本公开的实施例，多个信号融合采集组件1在被测流体区域3的围壁4上的覆盖率为80％，信号融合采集组件1的数量为：8～16个，可选为8、10、12、14、16个等。
61.通过本公开的实施例，基于电容测量的阈值范围，当电容信号采集单元数量少时，测量出的电容值小，输出的电容信号低；而微波信号采集单元因具有谐振效应和阻抗效应，通过调制微波信号采集单元，可以输出合适的微波信号。因此，增加信号融合采集组件的数量可以增强信号的采集，保证信号采集的质量。
62.本公开的多模态传感器可用于含湿颗粒气固流动或油-气-水多相混合运输过程，尤其适用于颗粒湿度变化的反应过程中测量和过程调控。利用多模态传感器采集含有湿颗粒气固流动或油-气-水多相混合运输过程中的介电常数和电导率信息，通过对重建图像灰度数据进行处理获取测量区域的空隙率(浓度)和湿度信息分布。
63.图4是本公开一实施例中多模态传感器成像融合测量的方法流程图。
64.如图4所示，该多模态传感器成像融合测量的方法包括：步骤s401～s407。
65.步骤s401电容层析成像，在步骤s401中，利用多模态传感器中的电容信号采集单元22收集被测流体区域3的电容值。
66.步骤s402电阻层析成像，在步骤s402中，利用多模态传感器中的电阻信号采集单元21收集被测流体区域3的电流值。
67.步骤s403微波层析成像，在步骤s403中，利用多模态传感器中的微波信号采集单元22通过非接触方式用微波照射被测流体区域3，然后通过被测流体区域3外部散射场的测量值来重构被测流体区域3的复介电常数分布。
68.步骤s404图像融合分析，在步骤s404中，将电容层析成像、电阻层析成像和微波层析成像的数据通过傅里叶变换、双树复小波变换，采用加权平均算子法和局部能量特征融合的不同融合规则进行成像融合。因微波/电容信号采集单元22和电阻信号采集单元21组
成的多模态传感器1位于同一截面，可以同时获取反应过程中被测流体区域3的介电常数、电容值和电导率的分布情况。每种图像的权重将根据反应过程中流动介质的湿度、浓度等信息确定，大小值可通过相同介质的静态试验先选择好，进而获得融合成像结果，根据融合成像的结果，进而可以获得被测流体区域3的s405浓度分布、s406湿度分布以及s407流型和流态变化。
69.通过本公开的实施例，本公开的多模态传感器融合了微波、电容、电阻三种模态的层析成像传感器，使用本公开的多模态传感器的层析成像技术可以收集被测流体区域的流动信息，无需其他辅助技术，可以为反应过程或流动提供完整的信息。
70.图5是本公开一实施例中多模态传感器中多个微波/电容信号采集单元和电阻信号采集单元以间隔交错排列方式的二维俯视结构示意图。
71.根据本公开的实施例，如图5所示，电阻信号采集单元21和微波/电容信号采集单元22间隔交错排列设置，以形成分体式结构的信号融合采集组件。
72.通过本公开的实施例，将电阻信号采集单元和微波/电容信号采集单元均匀间隔交错排列分布在被测流体区域的围壁的同一截面高度处，形成多个分体式结构的多模态的传感器，减少了各个信号采集单元采集信号之间的相互干扰，也可以实现被测流体不同区域的实时检测，提高被检测区域的准确性。
73.根据本公开的实施例，在被测流体区域3中包含液体的情况下，微波/电容信号采集单元22设置于被测流体区域3的围壁4的外侧，以便通过非接触式测量方式采集被测流体区域4的微波信号和电容信号。
74.通过本公开的实施例，当被测流体区域为液体的情况(如气-液)，将微波/电容信号采集单元设置于被测流体区域的围壁的外侧，通过非接触式的方式测量被测流体区域的微波信号和电容信号，可以保护微波/电容信号采集单元不被液体损坏。
75.图6是本公开一实施例中将多模态传感器的微波/电容信号采集单元设置于被测流体区域的围壁的内侧的二维俯视结构示意图。
76.根据本公开的实施例，如图1和图6所示，在被测流体区域3中不包含液体的情况下(如气-固)，微波/电容信号采集单元22设置于被测流体区域3的围壁4的外侧或内测，以便通过非接触式或接触式测量方式采集被测流体区域3的微波信号和电容信号，提高微波信号输出质量。
77.本公开的多模态传感器不是简单的微波、电容、电阻三种测量模式的叠加，而是涉及不同层次、不同机理的融合，其主要体现三个层次的融合：首先是多模层析成像的融合互补。多模态融合包含互补融合、竞争融合和各模态之间的相互协作三种方式，其兼具了三种模态的特征和优势。
78.微波模态提供了宽范围内的含水率信息，而电学模态成像速率快；通过电容、电阻、微波传感器的融合设计，选取合适的层析成像工作模式，即密相区高含水率时段通过电阻/微波层析成像监测气固反应进程，低含水率时段选取电容/微波层析成像工作模式，通过流型匹配，实现电容、电阻和微波之间的互补测量，同时通过微波湿度测量的融合和互补，实现颗粒浓度和湿度的同步测量。
79.然后，根据电容、电阻和微波测量范围及空间敏感度分布的差别，通过竞争融合，提高精度，改善时空覆盖程度。最后通过各传感器之间的协作，依托不同传感器系统获得的
多分布参数测量结果。
80.本公开的多模态传感器无需文丘里管以及其他探针式测量设备，无需改变被测装置的原有结构，仅通过三个模态的层析成像结果即可获知被测流体区域丰富的气固流动信息，包括气相分布、流型流态变化、湿度等。
81.在本公开的实施例中，除了可以采用上述的微波/电容层析成像技术之外，还可以选择电阻抗层析成像技术。
82.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。