电容层析成像系统三维电场分析及阵列电极优化

电容层析成像三维图像重建研究张立峰;蒋玉虎【摘要】进行了电容层析成像(ECT)三维图像重建的仿真研究.首先利用COMSOL 软件对ECT传感器进行三维建模,基于其高精度的有限元求解,计算ECT的灵敏度矩阵;其次,基于Matlab软件实现了基于线性反投影(LBP)及Landweber迭代算法的ECT图像重建,并利用图像显示程序获得了三维重建图像;最后,对球体及圆柱体模型进行了三维ECT图像重建,获得了较好的重建结果.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2019(040)003【总页数】4页(P462-465)【关键词】计量学;电容层析成像;三维图像重建;多相流检测;COMSOL【作者】张立峰;蒋玉虎【作者单位】华北电力大学自动化系,河北保定071003;华北电力大学自动化系,河北保定071003【正文语种】中文【中图分类】TB9371 引言过程层析成像(process tomography,PT)技术是一种两相流参数可视化测量技术,电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)技术是基于电容敏感原理的PT技术[1]。

ECT系统由传感器子系统、数据采集子系统及计算机图像重建子系统3部分组成。

在被测区域外围设置阵列电容传感器,由数据采集系统采集不同极板对之间的电容数据(投影数据),最后由计算机采用图像重建算法重构出被测区域内部的介电常数分布图像,基于该图像的处理与分析,进一步测量两相流参数。

二维ECT图像重建较为简单,被广泛采用。

二维ECT图像重建系统使用单层电容阵列,测量电容为传感器空间的均值,重建图像呈现为二维断层图像,为传感器空间介电常数分布在轴向方向上的叠加效应,不能很好地反映介质在轴向方向的分布,可视化效果较差[2～4]。

三维ECT图像重建采用多层测量极板,按一定方式排列,通过测量同层及各层之间电容极板间的电容值,直接构建物质分布的三维图像,可更为直观地反映介质分布的空间位置、几何形状等信息。

电容层析成像技术中影响图像重建质量的因素分析高彦丽【摘要】电容层析成像技术(ECT)作为一种多相流参数检测技术,具有快速、非侵入、结构简单、无辐射、成本低等特点,而图像重建质量和速度是阻碍电容层析成像技术工业应用的关键性问题,本文讨论了影响图像重建的因素,在采用线性反投影算法、正则化求逆算法以及迭代法的基础上,研究了单元划分数目、有限元形状、极板数以及介电常数四种因素对成像质量的影响.研究结果对获得最佳成像效果具有一定的指导意义.【期刊名称】《华东交通大学学报》【年(卷),期】2009(026)001【总页数】5页(P62-66)【关键词】电容层析成像;图像重建;像素;有限元分析【作者】高彦丽【作者单位】华东交通大学,电气与电子工程学院,江西,南昌,330013【正文语种】中文【中图分类】TP212电容层析成像技术(ECT)是20世纪80年代发展起来的一种多相流参数检测技术.其工作原理是依靠检测非导电物场内介质分布变化引起的电容值变化，通过某种图像重建算法来反演物场内的介质分布，从而实现对多相流参数的测量.该方法具有快速、不干扰流场、结构简单、无辐射、成本低的特点，可以用来测量多相流尤其是气固两相流的流动分布［1～4］.电容层析成像系统的结构如图1所示，主要由三部分组成，分别为电容传感器阵列、数据采集和信号处理电路以及控制和成像计算机系统.电容传感器阵列把物场介质变化转化为对应的电容变化;数据采集和信号处理系统负责电容的测量及其信号的传输处理;控制和成像计算机系统依据反映物场特性参数的投影数据，采用定性或定量的图像重建算法，完成由投影数据到图像这一逆问题的求解，并通过计算机显示出来.常用的图像重建算法有线性反投影算法(LBP)［5］、正则化求逆算法［6］(MLRR)以及迭代法［7］等.影响图像重建质量的因素很多，除图像重建算法、投影数据的精确性等会直接从根本上影响图像质量外［8］，单元划分数目、有限元形状、极板数以及介电常数等其它因素也会影响图像质量，而这方面的研究却少有报道.本文在采用线性反投影算法、正则化求逆算法以及迭代法的基础上，研究了单元划分数目、有限元形状、极板数以及介电常数四种因素对成像质量的影响.研究结果对获得最佳成像效果具有一定的指导意义.单元划分数目即图像的像素个数，通常来讲，在传感器极板数一定的条件下，成像区域内像素个数划分得越多，会使得重建图像轮廓越平滑，从而越接近原始图像.如图2所示单元划分数为800的成像效果无论从图像轮廓还是占空比上都优于单元数为500的重建图像可见单元划分数目(像素)多，在一定程度上可提高成像质量. 然而像素个数和成像时间呈近似线性的关系［9］，因此通过增大单元划分数目提高成像质量是以牺牲图像重建速率为代价的.而且，作者通过研究发现像素个数并非与成像质量成正比关系，如图3所示，图中ZE表示成像质量，N表示像数个数.a～n1段曲线呈上升趋势，说明像数越多，图像轮廓越平滑，越接近原始图像;n1～n2段是平稳段，说明成像质量不再随像数个数的增加而提高;N＞n2段曲线呈下降趋势，说明像素过多，逆问题的求解变得更加困难，病态性加强，成像质量变差了.因此，像素个数并非越多越好，它只是在一定程度上影响成像质量.实际应用时，应根据成像速率以及成像的空间分辨率的要求，在n1～n2段确定像素个数.目前ECT技术中有限元划分主要有两种形状，一种是五面体，一种是六面体［3］.为研究不同的有限元划分形状对成像质量的影响，本文研究了在LBP、迭代法以及MLRR三种成像算法下，有限元划分形状分别为五面体和六面体时的成像效果，研究结果如表1所示.从表中可以看出，两幅不同占空比的原始图像分别在有限元划分为五面体、六面体下的成像效果与单元划分形状没有明显关系.现有文献报道中两种划分方式均有采用，各有优缺点.有限元划分为五面体形状可以利用对称性旋转快速获取物场灵敏度［9］，而有限元为六面体形状时，不具备对称性，因此灵敏度的获取速度慢，但六面体更具美观性.传感器极板数增加，独立电容测量值的数目增加，可以获取更多的信息，有望使成像质量得到改善，如图4所示.但是，在保持有限元剖分数不变的条件下，12电极ECT系统的敏感场矩阵的条件数远远大于8电极ECT传感器的敏感场矩阵的条件数，这意味着12电极系统虽然比8电极系统能提供更多的测量值，但其病态性也比8电极系统较为严重［10］，测量电容值C的微小扰动会对图像灰度G的解产生很大影响;再者以增加极板数量以获取更多的信息，还要良好性能的硬件测量电路作为基础，因为极板数增多，极板的面积就要减小，无论是静态电容还是动态电容值都将会减小的;并且极板数的增加也意味着成像速率的降低.因此，常用的以8和12极板的ECT系统居多.ECT系统使用前需要经过以下两个过程:(1)系统标定［4、11］，即确定高/低介电常数相分别充满管道时相应各极板对的电容值，测量数据归一化时用;(2)确定出给定高/低介电常数时所对应的重建图像矩阵(MLRR法)或灵敏度分布矩阵(LBP法).但ECT系统在实际应用中会碰到这样的问题:有些应用对象无法直接测得高/低介电常数相分别充满管道时相应各极板对的电容值;成像对象的介电常数在不同的工作条件下发生波动;成像对象的介电常数不易确定.文献［12］探讨了ECT系统对未知介电常数对象的图像重建方法;文献［9］总结了高介电常数相介电常数变化对成像质量的影响.本文研究了不同介电常数的成像效果，仿真结果如图5所示.总结图中结果可以得出以下结论:(1)不同的成像算法下，成像质量受介电常数变化的影响不同.图5中，模型1对象介电常数分别由6波动为1.8、3、10，模型2对象介电常数由1.8变为5，当采用MLRR时，模型1和2在不同的对象介电常数下的成像效果差别很大，而当采用LBP和迭代算法时成像效果相差不大.结果表明LBP法受到的介电常数变化影响最小;迭代法受到的影响较LBP法大些，因其需要利用已知的灵敏度分布对图像进行修正;MLRR法的成像质量受到介电常数变化的影响较大，因为回归矩阵取决于介电常数.(2)对成像质量的影响起决定性作用的，并不是灵敏度矩阵而是归一化的电容值.因为一定的介电常数范围内相同的极板对形成的灵敏度分布图总体上具有相似的形状，并且灵敏度变化的方向和介电常数的变化方向一致［7］，这也是利用已知介电常数的灵敏度分布代替未知介电常数对象的灵敏度分布的依据.但是当有些应用对象无法直接侧得高/低介电常数相分别充满管道时相应各极板对的电容值，而利用已知介电常数的仿真值代替对测量值进行归一化，这是成像误差的一个来源.(3)仿真实验还表明介电常数在正负小范围内变化对成像质量几乎没有影响.(4)介电常数负波动对成像效果的影响比较大，而介电常数的正波动对成像效果影响不大，甚至会改善成像效果.见图5模型1.文献［13］的报道也表明应用低介电参数的物质标定可以提高成像的效果和质量.综上，ECT系统在实际应用中，应尽可能准确的估计出高低介电常数相的介电常数，估计出它们的变化范围，选择合适的算法来进行图像重建.高低介电常数均变化的情况下，不同模型利用不同算法受到的影响程度的定量化以及如何把影响减小到最小等还需要进一步的研究工作去做.除了图像重建算法、电容投影数据直接决定重建图像的质量外，上述仿真研究表明，有限元像素的划分数、极板数以及介电常数的波动也在一定程度上与成像质量有关.将ECT技术应用于工业现场时，为了设计最优传感器结构，需要开展进一步的建模工作，包括研究最优电极数、最优剖分策略以及最优测量方案，可参考上述结果，设计好每个环节的参数，选择适当的图像重建算法以达到最好的测量结果.【相关文献】［1］徐苓安，等.过程层析成像技术的研究现状和发展趋势［C］.西安:中国仪器仪表学会过程检测控制分会第三届年会论文集(过程控制仪表及系统)，1995:63－72.［2］傅文利，赵进创.管路堵塞的电容层析成像可视化监测［J］.微计算机信息，2006，12(1):113－114.［3］赵进创.电容层析成像技术及在两相流可视化监测种的应用研究［D］.沈阳:东北大学，2001. ［4］Yang W Q.Calibration of capacitance tomography systems:a new method for setting system measurement range［J］.Meas.Sci.Technol，1996，25(7):863－867.［5］Bolton G T，Korchinsky W J，Waterfall R C.Calibration of capacitance tomography systems for liquid-liquid dispersions［J］.Meas.Sci.Technol，1998，27(9):1 797－1 800. ［6］Xie C G.Review of image reconstruction methods for process tomography［C］.Proceedings of ECAPT’93，Karlsruhe，Gemany，1993:115－119.［7］Yan H，Liu L J，Xu H，et al.Image reconstruction in electrical capacitance tomography using multiple linear regression and regularization［J］.Meas.Sci.Technol，2001，30(12):579－581.［8］曹琳琳.电容层析成像系统图像重建算法的研究［J］.微计算机信息，2007，6(3):272－274. ［9］颜华.电容层析成像技术及在高炉块状区物料可视化检测中应用的基础研究［D］.沈阳:东北大学，1999.［10］五强.电容成像图像重建算法原理及评价［J］.清华大学学报(自然科学版)，2004，44(4):478－484.［11］Yang W Q，D M Spink，T A York，et al.An image-reconstruction algorithm based on landweber’s iteration method for electrical－capacitance tomography［J］.Meas.Sci.Technol.1999，28(10):1 065-1 069.［12］赵进创，王师，等.ECT对未知介电常数对象的图像重建方法探讨［J］.东北大学学报，2000，21(s1):153－156.［13］阎润生，刘石，王海刚，等.ECT技术对成像的影响——用低介电参数物质标定［J］.石油化工高等学校学报，2004，17(1):52－54.。

电学层析成像技术王化祥【摘要】The electrical tomography technology is a two-phase/multi-phase flow detection technology.This technology features many advantages,e.g.,no radiation,non-invasive,fast response and visualization,etc.Its rapid development at home and abroad is introduced.By using specially designed sensitive space array electrode,the electrical tomography system can acquire the information of the sensitive field measured with non-contact or non-intrusive manner.The distribution status at a certain cross-section of multi-phase fluid in a pipe or reactor can be reconstructed by adopting the image reconstruction algorithm,thus the concentration distribution of the dispersed phase and its variation with time are obtained.The electrical tomography technology can be widely used in petroleum,chemical,electric power,metallurgy,building materials,food and other industries,for example,the oil /gas/water mixing transportation process in the petroleum industry,various of pneumatic material conveying process in metallurgy and electric power industry,and drying and blending processes,fluidization process,diffusionprocess,reaction process in the fields of chemical industry,medicine and energy.This technology greatly improves the capability of human for obtaining and analyzing the information of production processes,and provides the novel measures for monitoring and control the process parameters online.%电学层析成像技术是一种两相/多相流检测技术.该技术具有无辐射、非侵入、响应速度快以及可视化等优点.对目前国内外快速发展的电学层析成像技术进行了介绍.电学层析成像系统采用特殊设计的敏感空间阵列电极,以非接触或非侵入方式获取被测敏感场信息.利用图像重建算法再现多相流体在管道内或反应装置内部某一截面的分布状态,从而获得多相流中离散相浓度分布及其随时间的变化规律.电学成像技术可广泛应用于石油、化工、电力、冶金、建材、食品等领域,如:石油工业中油/气/水混输过程;冶金、电力工业中各种气力物料输送过程;化工、医药、能源等领域中的干燥、混合、流态化、扩散、反应等过程.该技术极大提高了人们对生产过程信息的获取和分析能力,为过程参数在线监测和控制提供了一种全新的手段.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】6页(P1-6)【关键词】电学层析成像;敏感阵列电极;数据采集系统;图像重建算法;正问题和逆问题求解【作者】王化祥【作者单位】天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072【正文语种】中文【中图分类】TH-3;TP2电学层析成像(electrical tomography，ET) 技术是20世纪80年代国际上发展起来的一种两相/多相流检测技术。

电容层析成像算法综述Summary of Image Reconstruction Algorithm for ECT赵 波 陈至坤(河北理工大学计算机与自动控制学院，唐山 063009)摘 要：电容层析成像技术具有非侵入、响应快及易于安装等特点。

图像的重建算法与技术是电容成像在工业实际中得以应用的关键。

近年来在图像重建方面的研究取得了较大的进展，Tikhonov 正则法、Landweber 迭代法、同步跌代法、神经网络法、共轭梯度法及通用迭代法的图像重建质量较LBP 法有了明显提高。

关键词：电容层析成像 图像重建 重建算法中图分类号: TP319 文献标识码: AAbstract : Electronic capacitance tomography (ECT) features non-invasive, rapid response, and easy to install. Image reconstruction algorithm and technology is critical for application of ECT in practical industries. In recent years, the research on image reconstruction has obtained great progress; the quality of image reconstruction by Tikhonov regularization, Landweber iteration, simultaneous iterative reconstruction technique, neural network, conjugate gradient and general iterative schemes have improved obviously comparing with by LBP.Keywords : ECT Image reconstruction Reconstruction algorithm0 引言两相流参数（流型、浓度、速度、流量等）在线检测及控制在生产过程具有重要作用。

E ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ1292012 04实践与探索XPLORATION电阻抗层析成像测量电路参数优化仿真研究文/周丹娜摘要：本文利用Pspice9.2仿真软件，对ERT信号处理电路进行了仿真，通过对仿真参数的优化，浅析了对电路产生主要影响的参数应如何选取，归纳出优化电路的一般性建议。

关键词：pspice仿真　ERT信号处理电路　参数优化 电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)技术是目前过程检测仪表领域中的新技术。

该技术基于电学敏感原理，采用位于边界处的电极阵列对被检测物场的电阻抗分布信息进行检测，适用于液-气混合或液-固混合场的二维/三维截面信息测量，具有信息量大、非侵入性、成本低、安全性好等特点，可以实现对被测物场分布的在线可视化测量与监控，在生产过程和环境监测等诸多领域存在广泛应用前景，是目前关注和研究的热点。

在EIT系统中，由于电阻抗测量问题是影响电阻抗层析成像系统测量精度和重建图像质量的关键和难点之一，所以对微小电阻抗测量电路的研究是极为重要的。

并且电阻抗层析成像系统要求实时处理数据，对数据处理的速度也有较高的要求。

因此，本文针对EIT系统中电阻抗测量电路及其测量数据处理模块进行研究。

利用Pspice仿真软件输出的直观数据，设计出合理的信号测量电路，并在此基础上进行参数优化，归纳得到EIT系统测量电路参数优化的一般准则，以满足成像系统在不同应用领域的同一要求，实现更灵活的、有效的工业过程自动化监控功能。

一、基于ｐｓｐｉｃｅ的电阻抗层析成像测量电路优化仿真EIT系统由四个功能模块组成，分别是信号发生模块、电极选通模块、信号测量模块以及数据采集与通信模块。

其中，数据测量模块由前置差分放大、带通滤波器、相敏解调、低通滤波器四个子模块组成。

１．可控增益差分放大接收电极上测得的信号很小，需要进行适当的放大，同时滤除信号中的噪声，以使后面的测量能得到较好的效果，本文选用芯片AD624完成这一功能，其pspice仿真电路及参数设置如图1所示。

电容层析成像三维传感器结构设计及图像重建许闻楷;陈德运;高明;王莉莉【摘要】针对二维电容层析成像系统轴向分辨率低,敏感场分布的均匀性对图像重建的影响,在分析电容层析成像基本原理的基础上,提出了一种新型的三维电容层析成像传感器结构.该结构以三层4电极结构为基础,在保持原有电极总面积不变情况下,将每个电极一分为二变成三层8电极传感器,利用多电极组合激励测量模式将每层划分为8个组合,每个组合作为一个电极,这样不仅能增加投影数据,还能提高测量精度.仿真实验结果表明,与三层4电极结构相比,三层8电极能够获得更多的独立测量电容数,又能提高测量精确度,敏感场分布的均匀性得到改善,提高传感器的中心部位图像重建的质量.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2016(021)005【总页数】6页(P34-39)【关键词】电容层析成像;三维ECT传感器;双电极激励;图像重建【作者】许闻楷;陈德运;高明;王莉莉【作者单位】哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TP391.4电容层析成像ECT(electrical capacitance tomography)是基于电容敏感原理进行成像，成像系统包括三个基本部分，分别是传感器、数据采集器以及成像系统.它利用不同介质所具有不同的介电常数，当每种介质含量不同时，混合物的总介电常数也会随之改变[1-3].利用分布在流通管道外壁的电极进行数据测量，获得不同的电容数据，再利用数据采集系统对获得的电容数据进行信号处理，用计算机进行模拟成像.经过这几个步骤的处理后，就可以得到被测物的场浓度分布图[4].在ECT系统中，最为关键的组件是电容传感器.它对场域的敏感度和数据采集质量等产生较大的影响.在ECT研究中，包含几个重要的研究内容，其中比较重要的就是对传感器结构的研究[5].目前电容层析成像技术还存在分辨率低、信号采集能力弱和信号不稳定等问题.本文针对二维电容层析成像系统轴向分辨率低，敏感场分布的均匀性对图像重建的影响，在分析电容层析成像基本原理的基础上，提出了一种新型的三维电容层析成像传感器结构，该结构以三层4电极结构为基础，在保持原有电极总面积不变情况下，通过将电极等面积拆分并采用多电极激励方式进行测量，不仅增加投影数据，还能提高测量精度.多电极电容传感器是指在绝缘容器或者管道外侧均匀的安装一组电极极板，如图1所示.传感器带有保护极板结构，传感器由绝缘管道、检测电极以及屏蔽罩构成.除此之外，为降低相邻极板间的固有高电容，加入径向保护极板可扩大系统的动态值[6].根据麦克斯韦方程表示电磁场基本理论：式(1)中，B表示磁感应强度，电场强度用E表示， H为磁场强度，电位移为D，Je为电流密度，ρ为电荷密度.电磁场间各值之间的关系如下述式(2)所示.式(2)中，相对介电常数用ε表示，μ为磁导率，电导率为σ.在电容层析成像系统中，如果对极板进行激励，则会出现一静电场，并可用泊松方程表示为.式(3)，ε为相对介电常数，φ为电位.当ρ=0时(即若场中无自由电荷时)，则可用静电场拉普拉斯方程来表示ECT正问题.当激励电极为i时，狄里赫利边界条件为：式(5)中，边界激励电压用Vc表示，Γi为电极表面，Γs表示屏蔽罩表面，Γpg表示保护电极表面.根据式(4)、(5)计算出来电位分布φx,y后，在根据高斯定理可求出该电极板上感应电荷量，则电极对i-j间的电容值可由下面的公式表示.Ci,j式(6)中，电极对(i，j)之间的电容值用Ci,j表示，Q为电极j上的感应电荷量，极板上的电位用φ表示，ε为介电常数，Γ为包围电极j的封闭区域.当传感器结构尺寸以及管道内两相流分布均已知的情况下，各电极对间的电容值可用式(6)求解.由式(6)可得，相对介电常数分布与极间电容是一种非线性关系，该非线性关系可由式(7)表示.对于电容层析成像系统来说，即为电容值已知，求被测物场分布.对式(7)离散化，归一化有.式(8)中，电容投影向量用C表示，S为传感器成像区像素灵敏度系数矩阵，G为像素介电常数(像素灰度值)向量[7].目前的ECT在成像方面，大多是二维成像，得到的也只是“切片图”，这种成像方式有很多弊端.在流体传输的过程中，有些问题很难直接反映出来，比如介电常数的问题.在有明显轴向的变化的介质部分上存在不适应.在实际的应用中，如天然气等气态液态运输等领域，数据是动态变化的，但是在二维图像分析中，很难反映这种变化，而本文所设计的三维ECT可避免这种缺陷，这个一个全新的研究方向[8-10].两种传感器在组成上有所不同，传统的传感器是二维传感器，本文设计中采用的是三维传感器.三维ECT与传统平面传感器相似，由管道、电极、屏蔽罩等部分组成.结构上略有差异，后者由多层传感器组成[11].三维传感器并非完美无缺，例如在测量周期这个问题上，三维传感器层数较多时，会造成测量周期过长等问题[12].这样不利于随时获得测量某时间点的流体形状.但是如果测量板的层数过少的话，在测量中流体轴向分布不能很好的体现.目前常用的三层4电极的ECT是比较好的权衡方案，既可以保证测量的速度，又可以保证测量精度.同时可以获得良好的重建图像[13-14].这次我们用三层4电极的极板为基准，在保证极板总面积不变的情况下，将以双电极组合激励测量方案的三层8电极作为研究对象.同时以图像重建质量为标准，对比三层4电极传感器.相关传感器参数:管道高54 mm，管道内半径23 mm，管道外半径25 mm，屏蔽罩内半径33 mm，极板轴向长度14 mm，三层8电极ECT传感器电极在轴向长度不变的情况下，宽度为4电极极板的一半.保证使用电极的总面积一致，无额外电极用料.三层4电极ECT传感器，采用单电极激励模式[15].该激励模式的具体激励方法如下：当电极1处于激励状态，则测量电极1与电极2，电极1与电极3，直到电极1与电极12之间的电容.对于3层8电极ECT传感器，则采用双电极激励，单电极测量.该方案采用复合双电极测量方案，将三层24电极按层分组，每组有8个组合，具体组合形式为：第一层：电极1与电极2组合，电极2与电极3组合，第一层最后一组的组合为电极8与电极1组合.第一层8组分别为组合1至组合8，第2层同理，分别为组合9至组合16，第3层为组合17至组合24.即三层8电极双电极激励共有24种组合.三层4电极ECT传感器的独立测量值，可用单电极激励单电极测量模式的独立测量值公式N(N-1)/2(N为总电极数量)表示，根据上述公式可算出其独立测量值为66[16].三层8电极双电极激励单电极检测的独立测量值可用公式N(N-2)计算，带入相关参数，计算后可得独立测量值为528.因此双电极激励模式下的三层8电极传感器独立测量值为单电极激励三层4电极ECT传感器独立测量值的8倍.在电极面积保持不变的情况下，将大尺寸电极拆分成小尺寸电极组合的方案可以增加传感器的独立测量数.从而可以降低图像重建的不良性.在电极面积以及加工工艺允许的范围内.如果采用更尺寸更小的电极，如3层12电极，3层16电极，则将进一步增加传感器的独立测量数.在三维ECT的传感器区域空间内是一个不均匀的三维空间，感应场中的介电常数在由低向高变化的过程中，极板之间的电容值也会变化.极板对i-j之间的灵敏度值定义如下.关于灵敏度的计算.首要工作是得到空场与满场的电容数据.接着在测量区内设置有限元k的高介电介质.同时，其他为低电介质.在利用有限元法求相应的电容值，场区的灵敏度由式(9)计算得出.传感器，数据采集，成像三部分共同组成了ECT系统.在进行数据测量时，利用传感器测量电容值，得到数据后，进行数据的传输.把数据传输到数据采集系统.之后进行数据的转换放大解调滤波等工作后传输到计算机进行图像的重建等工作[17-19].实验设备以FPGA为核心，负责信息采集的工作.数据的处理工作由A/D转换器完成，处理完采集到的数据后，借助FPGA产生激励电压.并实现通信信道的转换.最后把处理后的数据进行图像重建工作.本文采用Runge-Kutta型Landweber图像重建算法对仿真实验获得的数据进行图像重建[20].表1是12电极的单电极激励.在不同的流动模型中，通过计算机仿真进行结果对比，及测量所得的实验数据.表2为24电极双电极激励，这三种流体模型的原始模型通过计算机模拟对结果进行对比，及测量所得的实验数据.本文图像质量评价指标通过两个方向来衡量，一是空间图像误差，二是占空比.空间图像误差公式为：占空比的公式为：由以上的表格可以知道，在双电极激励的工作模式下，与传统单电极激励相比，在检测数据和图像重建方面误差相对较小(误差分别为单电极34.55%，双电极26.05%).在占空比方面，两者更加接近(双电极误差7.93%，单电极9.10%).因此，采用这种方法可以获得更为良好的三维图像.在ECT系统中，被测量场域的电容十分微弱，属于微小电容测量范畴，图像重建的过程中存在不适应性的求解问题.三层24电极的ECT传感器采用双电极激励模式，可以得到528个独立的测量值，相对于同样大小的12电极ECT传感器，前者测量值为后者的8倍.在电极板的数量一定的情况下，检测过程中适当提高电容值，可以得到分布更加均匀的场域，降低求解不适应性，本次所采用的传感器设计方式及电极组合方式，可以得到更加精确清晰的图像.。

12电极电容层析成像系统的设计孟宪永;杨晓光【摘要】电容层析成像技术(ECT)是基于电容敏感原理的过程层析成像技术(PT).它可进行多相流的相浓度、流型、流量等参数的在线测量,是目前最具发展前景的多相流参数检测方法.本文以12电极电容层析成像系统为研究对象.主要介绍一种基于交流激励型的电容层析成像的C/V转换电路,并分析了该电路的工作原理.该电路能抑制杂散电容的干扰,能测量微小电容的变化,具有抗干扰能力强,稳定性好和较小的漂移等特点.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2011(024)004【总页数】3页(P132-134)【关键词】电容层析成像;转换电路;ECT基本原理【作者】孟宪永;杨晓光【作者单位】唐山民和科技有限公司,河北唐山063000;河北工业大学电气工程学院,天津300130【正文语种】中文【中图分类】TB470 引言电容层析成像ECT（Electrical Capacitance Tomography）技术是一项于20世纪80年代提出的过程成像新技术。

该项技术是目前公认的最具发展前景的多相流检测技术之一 [1～4]，它具有结构简单，响应速度快，采用非侵入式等特点。

到目前为止，ECT系统中有多种电容检测方法，本文介绍了基于交流激励的电容测量电路，并对电路工作原理进行了重点介绍，同时着重分析了CMOS开关的导通电阻和杂散电容对整个电路的影响。

1 ECT基本原理及组成ECT测量原理是：多相流体各分相介质具有不同的介电常数，当各相组分浓度及分布发生变化时，会引起多相流混合体等价介电常数的变化，从而使测量电容值随之发生变化，电容值的大小反映多相流介质相浓度的大小和分布状况。

电容层析成像系统主要由电容传感器、数据采集系统、成像系统等三部分组成。

ECT系统的总体组成框图如图1所示。

整个系统的工作原理：信号发生器产生的正弦激励信号经CMOS模拟开关作用于传感器极板，极板在控制电路作用下，选择其中任意2极板分别做激励电极和检测电极，交流C/V转换电路把此电容信号转换成与之相对应的交流电压信号，然后通过放大电路对C/V转换电路输出的交流电压信号进行放大，放大后的电压信号经相敏解调电路及滤波电路后转变为直流电压信号[5～7]。

电容层析成像系统中的相敏解调
张雪辉;王化祥
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2008(024)020
【摘要】电容层析成像是通过传感器阵列电极电容的变化,反映管道中多相介质的分布,从而重建管道截面各相介质的分布图像.其中,相敏解调是关键的环节.本文介绍了电容层析成像系统常用的几种相敏解调的方法,包括模拟解调和数字解调方法.由于模拟器件本身的弊端,制约了系统实时性和精度的提高.本文设计的数字化系统,充分利用FPGA和DSP,实现了全数字正交序列解调,系统的速度和精度都得到了提高.【总页数】3页(P300-302)
【作者】张雪辉;王化祥
【作者单位】300072,天津大学电气与自动化工程学院;300130,河北业大学自动化与电气学院;300072,天津大学电气与自动化工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP202
【相关文献】
1.电容层析成像系统中的数字相敏解调技术 [J], 马敏;韩路军;侯敏;张彩霞;王化祥
2.油水两相流电容层析成像系统电容测量电路的设计 [J], 陈德运;于晓洋;赵霞;孙立镌
3.用于两相流电容层析成像系统中的图像重建算法 [J], 吴德林
4.用于两相流电容层析成像系统中的图像重建算法 [J], 吴德林
5.电容层析成像系统三维图像重建及其在两相流体积测量中的应用研究 [J], 赵进创;陆建波;傅文利;李陶深;梁家荣
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