阅读说明：本技术 基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量装置及方法 (Metal particle flow velocity measuring device and method based on triangular electrode capacitance sensor ) 是由 高鹤明 闵莹星 龙航 仲苏苏 常琦 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量装置,包括依次电性连接的用于检测的三角电极差分式电容传感器、信号采集电路和计算机,三角电极差分式电容传感器包括绝缘管道,绝缘管道上设有上游电极对和下游电极对,上游电极对的上方、上游电极对与下游电极对之间、下游电极对下方均设有屏蔽电极,绝缘管道外侧套接有金属屏蔽罩,本发明还公开了基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量方法,通过计算机对传感器的输出信号进行分析计算得到金属颗粒的速度。本发明的传感器装置具有灵敏场分别更均匀,结构简单,成本低,反应速度快,灵活性高,灵敏度高的优点,提高管道内金属颗粒流动速度的测量精确度。(The invention discloses a metal particle flow velocity measuring device based on a triangular electrode capacitance sensor, which comprises a triangular electrode differential capacitance sensor, a signal acquisition circuit and a computer which are electrically connected in sequence and used for detection, wherein the triangular electrode differential capacitance sensor comprises an insulating pipeline, an upstream electrode pair and a downstream electrode pair are arranged on the insulating pipeline, shielding electrodes are arranged above the upstream electrode pair, between the upstream electrode pair and the downstream electrode pair and below the downstream electrode pair, and a metal shielding cover is sleeved outside the insulating pipeline. The sensor device has the advantages of more uniform sensitive fields, simple structure, low cost, high reaction speed, high flexibility and high sensitivity, and improves the measurement accuracy of the flowing speed of metal particles in the pipeline.)

基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量装置及方法

技术领域

本发明属于分析及测量控制技术领域，涉及基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量装置，还涉及基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量方法。

背景技术

机械制造业中切削加工过程中产生的金属颗粒在集中排屑系统中常用管道式输送方式实现金属颗粒的收集及运输。在数控机床及多机自动化生产中，通过实时检测管道内金属颗粒的速度可以了解其流动状态并有效地防止输送过程中管道堵塞的发生，确保自动加工循环的正常进行和实现切屑的无人化处理。在金属颗粒的管道输送过程中可以应用电容传感器实现对金属颗粒的探测，结合相应的信号分析方法和测量原理，可以从电容信号中提取出颗粒的尺寸，流速，体积浓度，质量流量等信息。目前国内外研究主要集中在发动机滑油系统中微米级金属颗粒的检测，根据检测原理的不同，可以分为电学法，声学法，磁学法，光学法等。因其具有成本低，响应快，非侵入式，适用范围广和安全性好等特点，电容法广泛应用于非金属颗粒流动参数的测量，而在金属颗粒检测领域研究较少。就电容式传感器结构而言，研究较多的是基于环状电极、螺旋电极、矩阵电极的电容传感器实现对速度的测量，以及基于弧状阵列电容传感器实现的电容层析成像技术(ECT)对浓度的测量。现有的电容式传感器存在灵敏场分布不均的问题，且测量结果受“软场效应”影响较大，应用其测量金属颗粒速度仍存在问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量装置，解决了现有技术中存在的灵敏场分布不均以及测量结果受“软场效应”影响较大的问题，并将电容法的测量对象扩展到金属颗粒速度测量领域。

本发明所采用的技术方案是，基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量装置，包括依次电性连接的用于检测的三角电极差分式电容传感器、信号采集电路和计算机；

三角电极差分式电容传感器包括绝缘管道，绝缘管道上设有上游电极对和下游电极对，上游电极对的上方、上游电极对与下游电极对之间、下游电极对下方均设有屏蔽电极，绝缘管道外侧套接有金属屏蔽罩。

本发明的特点还在于：

上游电极对和下游电极对环绕于绝缘管道上，上游电极对和下游电极对均由一个三角形激励电极和一个三角形检测电极组成，激励电极和检测电极的斜边相对设置。

激励电极和检测电极的斜边之间沿绝缘管道轴向距离为1-3毫米，其中一条直角边与绝缘管道轴线垂直，且长度与绝缘管道外壁周长相同，另一条直角边与绝缘管道轴线平行，且长度为10-20毫米。

激励电极、检测电极和屏蔽电极均由紫铜箔制成，且均嵌入绝缘管道中。

金属屏蔽罩的长度为上游电极对上方屏蔽电极到下游电极对下方屏蔽电极之间距离的1.5-2倍，绝缘管道与金属屏蔽罩之间填充有绝缘材料。

信号采集电路是基于PCAP01芯片及其接口电路的电容数字转换电路，通过单芯屏蔽线缆与上游电极对、下游电极对以及屏蔽电极相连，并将采集到的信号输送至计算机。

激励电极与信号采集电路高电平一端相连，检测电极与信号采集电路低电平一端相连，屏蔽电极及金属屏蔽罩串联后接地。

本发明的另一目的是提供一种基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量方法。

本发明所采用的另一技术方案是，基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量方法，利用基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量装置，测量方法具体为:当金属颗粒在绝缘管道中运动时，金属颗粒经过三角电极差分式电容传感器的灵敏空间，灵敏空间指从最上面的屏蔽电极到最下面的屏蔽电极之间的空间，产生两组包含有反应颗粒流动信息的分量的电容信号ΔC₁(t)和ΔC₂(t)，该电容信号被信号采集电路采集，信号采集电路将该电容信号经过转换传递给计算机，通过计算机软件基于互相关测速原理对输入电信号进行相关运算，并基于空间滤波测速原理分别对两路输出信号和差分信号频谱进行分析，通过提取两路信号的渡越时间τ_m和差分前后信号的等效峰值频率f_m1，f_m2，f_md，进而初步得到金属颗粒的运动速度信息，再使用基于加权平均法的特征层数据融合算法对基于不同原理得来的四个速度v_c，v_m1，v_m2，v_md进行进一步的处理以获得更高精度的测量结果。

本发明的特点还在于：

在计算机内对采集到的信号进行处理的过程具体为：

步骤1，通过编程对采集到的两组信号ΔC₁(t)和ΔC₂(t)进行互相关运算，根据相关定理计算传感器两路电容输出信号的相关函数R_xy(τ)，表示为：

式中，ΔC₁(t)和ΔC₂(t)为传感器的两路输出信号，通过确定相关曲线R_xy(τ)的峰值对应的时间，即渡越时间τ_m，可以得到金属颗粒的速度v_c：

v_c＝λ/τ_m＝(w₁+w₂+2d)/τ_m (2)

式中，λ为上游电极对C₁与下游电极对C₂之间的轴向间隔，w₁为检测电极宽度，w₂为屏蔽电极宽度，d为构成电容的激励电极和检测电极与屏蔽电极的间距；

步骤2，为了更好的得到金属颗粒经过传感器灵敏空间时引起的电容变化规律，将三角电极差分式电容传感器的轴向灵敏度分布由以下等式定义：

式中：Z是传感器灵敏空间的轴向总长度，S_i(z)是金属颗粒处在不同轴向位置z时传感器的灵敏度，C_i(z)是颗粒位于轴向位置z处时传感器的两路输出信号，C_εl和C_εh是传感器充满空气和金属颗粒时所对应的空管电容值、满管电容值，μ是与金属颗粒粒径有关的校正因子，定义为传感器的灵敏空间体积和金属颗粒体积之比，a,b,c为轴向灵敏度分布曲线的高斯拟合系数；

步骤3，当确定位置的颗粒仅在z轴方向有速度分量，其他方向速度分量为零，空间权函数只在z轴方向具有周期性，在其方向上是相同的，则电容传感器的输出电容信号ΔC_i(t)表示为

ΔC_i(t)＝k₀∫∫∫ρ(x,y,z+v_zt)·s_i(x,y,z)dxdydz,i＝1,2 (4)

其中，k₀是与金属颗粒的介电特性和几何特征有关的常数，输出信号ΔC_i(t)是空间粒子分布函数ρ(x,y,z,t)和空间灵敏度函数s_i(x,y,z)的卷积积分；

通过编程对输出信号ΔC_i(t)进行傅里叶变换，对得到的频谱幅值取平方得到测量输出信号的功率谱密度函数P_ΔCi(f)，表示为：

式中，S_ΔCi(f)为传感器输出信号ΔC_i(t)的傅里叶变换，m为与颗粒介电特性，几何尺寸，空间位置有关的常数，时间频率f表示为空间频率f_z和速度v_z的乘积，使用有限元分析的方法对传感器的空间灵敏度分布规律进行分析，可知在确定径向位置处，空间灵敏度函数的轴向分布s_i(z)可以用高斯函数进行拟合，电容输出信号的功率谱密度函数P_ΔCi(f)表示为

式中，a,b,c为轴向灵敏度分布曲线的高斯拟合系数，F(·)表示傅里叶变换；

步骤4，针对现有的频域特征参数提取方法的局限性，引入等效峰值频率f_m概念，其定义为将功率谱密度函数的幅值P_d(f_z)与对应频率f_z的加权和的结果除以幅值之和的商，对未经差分的两路输出信号ΔC_i(t)进行功率谱分析得到的等效峰值频率f_mi：

校正后的结果可以在一定程度上减小频域特征参数提取对空间滤波法速度测量结果的影响，在实际应用中，由于颗粒分布和尺寸，速度分布，流体均匀性和稳定性的影响，引入一个无量纲比例系数k，金属颗粒的速度v_mi定义为：

v_mi＝k·λf_mi＝k·(w₁+w₂+2d)f_mi,i＝1,2 (8)

式中，λ为三角电极差分式电容传感器的上游电极对C₁与下游电极对C₂之间的轴向间隔，无量纲比例系数k是由实验确定的，v_m1和v_m2是对上下游两路输出信号ΔC₁(t)和ΔC₂(t)进行功率谱分析得到的金属颗粒流动速度；

步骤5，对三角电极差分式电容传感器的两路输出信号ΔC_i(t)进行差分处理，得到的差分输出信号的灵敏度函数s_d(z)表示为

式中，λ为上下游电极对之间的轴向间隔，a,b,c为轴向灵敏度分布曲线的高斯拟合系数；

步骤6，通过编程对输出信号ΔC_d(t)进行傅里叶变换，对得到的频谱幅值取平方得到测量输出信号的差分电容输出信号的功率谱密度函数P_d(f_z)，表示为：

从上式中可以看出，差分处理可以减少输出信号中的直流分量的基带频率对频域特征参数提取准确度的影响；

步骤7，对输出信号ΔC_d(t)进行功率谱分析得到的等效峰值频率f_md，即

引入一个无量纲比例系数k，金属颗粒的速度v_md定义为

v_md＝k·λf_md＝k·(w₁+w₂+2d)f_md (12)

式中，λ为上游电极对C₁与下游电极对C₂之间的轴向间隔，无量纲比例系数k是由实验确定的，使用相位多普勒测速仪，对系数k进行标定；

步骤8，通过编程结合基于加权平均法的特征层数据融合算法对四个速度v_c，v_m1，v_m2，v_md进行进一步的处理以获得更高精度的测量结果。

本发明的有益效果是：三角电极电容传感器具有灵敏场分别更均匀，结构简单，成本低，反应速度快，灵活性高，灵敏度高等优点，由于传感器电极阵列的差分布置，可以基于不同的测速原理得到多个速度，对输出信号进行差分处理以及以等效峰值频率为功率谱估计的特征参数可以减小空间滤波法的速度测量误差，并多个速度进行特征层数据融合以得到更高的测量准确性和重复性，可根据具体情况若被测颗粒物流动状态较为稳定、系统采样频率较高，应分配给互相关算法得到的速度数据以较大权重，反之则需分配给空间滤波算法得到的速度数据以较大权重，利用三角电极电容传感器的工作特性，特殊的三角形电极形状可以得到更均匀的灵敏场分布，显着改善电容式传感器的“软场效应”，有效地减少了粒子分布对测量结果的影响，实现管道内金属颗粒流动速度的测量。

附图说明

图1是本发明基于三角电极电容传感器的金属颗粒速度测量装置的结构示意图；

图2是本发明基于三角电极电容传感器的金属颗粒速度测量装置中三角电极电容传感器的结构示意图，(a)是传感器截面剖视图，(b)是传感器表面展开图；

图3是本发明三角电极电容传感器的典型流线位置示意图；

图4是本发明三角电极电容传感器的不同流线位置处的轴向灵敏度分布曲线图。

图中，1.三角电极差分式电容传感器，2.信号采集电路，3.计算机，4.绝缘管道，5.金属屏蔽罩，6.激励电极，7.检测电极，8.屏蔽电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量装置，如图1-2所示，包括依次电性连接的用于检测的三角电极差分式电容传感器1、信号采集电路2和计算机3，其中三角电极差分式电容传感器1包括绝缘管道4，绝缘管道4上环绕有相隔一定距离且沿绝缘管道4轴向布置的两组尺寸和结构完全相同的上游电极对C₁和下游电极对C₂，上游电极对的上方、上游电极对与下游电极对之间、下游电极对下方均设有环状屏蔽电极8，绝缘管道4外侧套接有金属屏蔽罩5，上游电极对和下游电极对均由一个三角形激励电极6和一个三角形检测电极7组成，激励电极6和检测电极7的斜边相对设置，且沿绝缘管道4轴向距离为1-3毫米，其中一条直角边与绝缘管道4轴线垂直，且长度与绝缘管道4外壁周长相同，另一条直角边与绝缘管道4轴线平行，且长度为10-20毫米，两组直角边组成一长方形轮廓，两电极以轮廓对角线中点为对称中心构成中心对称关系，激励电极6、检测电极7和屏蔽电极8均由紫铜箔制成且均嵌入绝缘管道4中，金属屏蔽罩5的长度为上游电极对和下游电极对之和的1.5-2倍，绝缘管道4与金属屏蔽罩5之间填充有绝缘材料，信号采集电路2是基于PCAP01芯片及其接口电路的电容数字转换电路，通过单芯屏蔽线缆与上游电极对和下游电极对相连，并将采集到的信号输送至计算机3，激励电极6与信号采集电路2高电平一端相连，检测电极7与信号采集电路2低电平一端相连，屏蔽电极8及金属屏蔽罩5串联后接地。

本发明基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量方法，具体为：当金属颗粒在绝缘管道4内运动时，颗粒经过传感器1的灵敏空间，灵敏空间指从最上面的屏蔽电极(8)到最下面的屏蔽电极(8)之间的空间，产生两组包含有反应颗粒流动信息的分量的电容信号ΔC₁(t)和ΔC₂(t)，该电容信号被信号采集电路(2)采集，信号采集电路(2)将该电容信号经过转换传递给计算机(3)，通过计算机软件基于互相关测速原理对输入电信号进行相关运算，并基于空间滤波测速原理分别对两路输出信号和差分信号频谱进行分析，通过提取两路信号的渡越时间τ_m和差分前后信号的等效峰值频率f_m1，f_m2，f_md，进而初步得到金属颗粒的运动速度信息，并使用基于加权平均法的特征层数据融合算法对基于不同原理得来的四个速度v_c，v_m1，v_m2，v_md进行进一步的处理以获得更高精度的测量结果，若被测颗粒物流动状态较为稳定、系统采样频率较高，应分配给互相关算法得到的速度数据以较大权重，反之则需分配给空间滤波算法得到的速度数据以较大权重。

在计算机内对采集到的信号进行处理的过程为：

步骤1，通过编程对采集到的两组信号ΔC₁(t)和ΔC₂(t)进行互相关运算，根据相关定理计算传感器两路电容输出信号的相关函数R_xy(τ)，表示为：

式中，ΔC₁(t)和ΔC₂(t)为传感器1的两路输出信号，通过确定相关曲线R_xy(τ)的峰值对应的时间，即渡越时间τ_m，可以得到金属颗粒的速度v_c：

v_c＝λ/τ_m＝(w₁+w₂+2d)/τ_m (14)

式中，λ为上游电极对C₁与下游电极对C₂之间的轴向间隔，w₁为检测电极宽度，w₂为屏蔽电极宽度，d为构成电容的激励电极和检测电极与屏蔽电极的间距，互相关测速法的速度测量精度主要依赖于金属颗粒的流动状态和系统的采样频率，金属颗粒的流动状态越稳定，系统的采样频率越高，测得的速度精度就越高；

步骤2，因为传感器1的结构尺寸和几何形状时有限的，传感器对金属颗粒的带来的原始流动噪声表现出某种形式的空间滤波效应，为了更好的得到金属颗粒经过传感器灵敏空间时引起的电容变化规律，将三角电极差分式电容传感器1的轴向灵敏度分布由以下等式定义：

式中：Z是传感器灵敏空间的轴向总长度，S_i(z)是金属颗粒处在不同轴向位置z时传感器的灵敏度，C_i(z)是颗粒位于轴向位置z处时传感器的两路输出信号。C_εl和C_εh是传感器充满空气和颗粒时所对应的空管电容值、满管电容值。μ是与金属颗粒粒径有关的校正因子，定义为传感器的灵敏空间体积和金属颗粒体积之比，a,b,c为轴向灵敏度分布曲线的高斯拟合系数。

当金属颗粒在如图3所示的不同流线位置A₀，A₁，A₂，A₃处，即：r＝0、1、2、3毫米处沿z轴运动时，由图4可发现在确定径向位置处轴向灵敏度分布s_i(z)可以用高斯函数进行拟合，上下游电极对的轴向灵敏度s₁(z)和s₂(z)的分布规律完全相同，整体上呈双峰规律且两峰值相隔距离为轴向间隔λ，越靠近管壁的流线处，灵敏度曲线的峰值小幅度增加。对比于其他结构的传感器，三角电极差分式电容传感器1在远离管壁处和靠近管壁处的灵敏度变化不大，灵敏场分布更均匀；

步骤3，在实际测量过程中，由于导电颗粒的运动导致传感器灵敏空间内似稳场的不断变化，因此传感器的输出值也在不断波动，为简化计算，假设确定位置的颗粒仅在z轴方向有速度分量，其他方向速度分量为零，空间权函数只在z轴方向具有周期性，在其方向上是相同的，电容传感器的输出电容信号ΔC_i(t)可以表示为

ΔC_i(t)＝k₀∫∫∫ρ(x,y,z+v_zt)·si(x,y,z)dxdydz,i＝1,2 (16)

其中，k₀是与金属颗粒的介电特性和几何特征有关的常数，输出信号ΔC_i(t)是空间粒子分布函数ρ(x,y,z,t)和空间灵敏度函数s_i(x,y,z)的卷积积分；

通过编程对输出信号ΔC_i(t)进行傅里叶变换，对得到的频谱幅值取平方得到测量输出信号的功率谱密度函数P_ΔCi(f)，表示为：

式中，S_ΔCi(f)为传感器输出信号ΔC_i(t)的傅里叶变换，m为与颗粒介电特性，几何尺寸，空间位置有关的常数，时间频率f表示为空间频率f_z和速度v_z的乘积。使用有限元分析的方法对传感器的空间灵敏度分布规律进行分析，可知在确定径向位置处，空间灵敏度函数的轴向分布s_i(z)可以用高斯函数进行拟合，电容输出信号的功率谱密度函数P_ΔCi(f)表示为：

式中，a,b,c为轴向灵敏度分布曲线的高斯拟合系数，F(·)表示傅里叶变换。由上式可得，传感器对金属颗粒原始流动噪声具有低通滤波效应，输出信号的功率谱密度函数P_ΔCi(f)不仅包含与流体速度有关的信号分量，而且包含较低频率的基频直流分量，直流分量叠加在窄带频率上，会导致周期性信号分量的窄带频率减小以及峰值频率的偏移，影响金属颗粒速度测量结果的准确性；

步骤4，针对现有的频域特征参数提取方法的局限性，引入等效峰值频率f_m概念，其定义为将功率谱密度函数的幅值Pd(f_z)与对应频率f_z的加权和的结果除以幅值之和的商，对未经差分的两路输出信号ΔC_i(t)进行功率谱分析得到的等效峰值频率f_mi：

校正后的结果可以在减小频域特征参数提取对空间滤波法速度测量结果的影响，在实际应用中，由于颗粒分布和尺寸，速度分布，流体均匀性和稳定性的影响，引入一个无量纲比例系数k，金属颗粒的速度v_mi定义为：

v_mi＝k·λf_mi＝k·(w₁+w₂+2d)f_mi,i＝1,2 (20)

式中，λ为三角电极差分式电容传感器1的上游电极对C₁与下游电极对C₂之间的轴向间隔，无量纲比例系数k是由实验确定的。v_m1和v_m2是对上下游两路输出信号ΔC₁(t)和ΔC₂(t)进行功率谱分析得到的金属颗粒流动速度；

步骤5，对三角电极差分式电容传感器1的两路输出信号ΔC_i(t)进行差分处理，得到的差分输出信号的灵敏度函数s_d(z)表示为：

式中，λ为上下游电极对之间的轴向间隔，a,b,c为轴向灵敏度分布曲线的高斯拟合系数；

步骤6，通过编程对差分输出信号ΔC_d(t)进行傅里叶变换，对得到的频谱幅值取平方得到测量输出信号的差分电容输出信号的功率谱密度函数P_d(f_z)，表示为：

从上式中可以看出，差分处理可以减少输出信号中的直流分量的基带频率对频域特征参数提取准确度的影响；

步骤7，对差分输出信号ΔC_d(t)进行功率谱分析得到的等效峰值频率f_md，即

引入一个无量纲比例系数k，金属颗粒的速度v_md定义为：

v_md＝k·λf_md＝k·(w₁+w₂+2d)f_md (24)

式中，λ为上游电极对C₁与下游电极对C₂之间的轴向间隔，无量纲比例系数k是由实验确定的，使用相位多普勒测速仪(PDA)，对系数k进行标定，三角电极差分式电容传感器的金属颗粒速度测量装置与PDA同步测量，记录并保存系统的测量数据。取出与PDA同一时刻采集到的实验数据与PDA的测量数据组成一个数据对，每次标定应选取不少于30对数据，以角电极差分式电容传感器的金属颗粒速度测量装置的测量结果为横坐标，以PDA的测量结果为纵坐标，将两者的相关系数大于0.9的数据作为有效数据，有效测量点的数量应在总数据的一半以上，通过回归分析达到标定曲线，进而获得标定系数；

这表明传感器的时间频谱完全依赖于其空间滤波特性，通过选择合适的传感器结构并获得其空间灵敏度函数，可以获得粒子速度，理论分析和实验验证表明在固定传感器几何特征的条件下，输出信号的频谱特征与颗粒的平均速度成正比。

步骤8，通过编程结合基于加权平均法的特征层数据融合算法对四个速度v_c，v_m1，v_m2，v_md进行进一步的处理以获得更高精度的测量结果，若被测颗粒物流动状态较为稳定、系统采样频率较高，则分配给互相关算法得到的速度数据以较大权重，反之则分配给空间滤波算法得到的速度数据以较大权重。