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1、电容层析成像技术的研究进展与分析仪器表学报第卷第期仪望竺竺::竺竺竺竺竺竺塑竺电容层析成像技术的研究进展与分析.赵玉磊,郭宝龙,闫允一两安电子科技大学机电工程学院智能控制与图像程研究所西安摘要:电容层析成像,技术是以医学技术为基础,伴随着计算机技术和传感器技术发展起来的一种过程层析成像技术。对系统的各个组成单元和工程应用的研究成果进行分类,并逐类进行总结论述。比较了不同结构的电容传感器,并对传感器参数的优化方法进行总结。讨论了测量电容值的各种方法及其优劣性。在归纳主要图像重建算法及其改进方法的同时,还分析了典型算法的原理和流程。总结了系统
2、的各种主要工程应用和成功案例。在此基础上,指出了有待发展的若干研究课题及关键技术,并对某些发展方向予以展望。关键词:电容层析成像;电容传感器;数据采集;图像重建;再下程化中国分类号:文献标识码:国家标准学科分类代码:,.,,?“,,:,.,.,..,...,.:;;;;?要对象的过程参数二维或三维分布状况的实时检测技引言术?。门技术的理论依据是原理,即任何Ⅳ维物体可以通过其无限多个一维投影来重建。门技术的电容层析成像技术是过程层析成像实质是运用一个物理可实现系统对被测对象的某种物理,阳技术的一种。技术是世纪年代场特性分布进行.变换与逆变换
3、。电学”中期正式形成和发展起来的,是以两相流或多相流为主一技术包括、电阻层析成像收稿期:】:.基金项目:国家自然科学基金,、中央高校基本科研业务费专项资金资助万方数据第卷仪器仪表学报?电常数,通过电容传感器获得电容值从而得到介质分布.和电磁层析成像的图像。如图所示,系统主要包括个单元:电容,。这三者根据不同的物理原理,利用传感器,分别得到电容信号、电阻信号和感应磁场信号,从而传感器单元、测量及数据采集单元、计算机图像重建单元。电容传感器获取被测物场分布状况的投影信息,测分别重建出场内介质的介电常数分布、电阻率分布以及量及数据采集单元收集传
4、感器所获得的信息,并传送至电导率和或磁导率分布。年,曼彻斯特大学计算机,计算机根据一定的算法重建出场域分布图像。,成功研制了电极系统。随后在年,该系统升级为电极并配备高速并行处理网络的成像系统,成为现代系统的雏形。相对于其他技术,技术具有成本低、可靠性与灵敏度高、非侵人性易于安装维护和扩展等诸多优点,已经成为技术领域的一个研究热点。本文以近年来国内外期刊和会议出版的论文为主,图电容层析成像系统从电容传感器、电容测量和数据采集、图像重建算法以及.再工程化等方面对技术的研究进行总结,并对未来的发展趋势和需要解决的问题予以展望。如前所述,技术包
5、括、和,这三者分别对具有不同属性的介质进行成像,它们的主要区别是系统与其他技术概述传感器和测量模块不同,而数据采集模块和图像重建单元基本一致,其简要比较如表所示。技术的原理是利用多相介质往往具有不同的介表电学层析成像技术的比较传感器系统、测量和数据采集系统.电容传盛器系统电容传感器主要由部分组成:检测电极、绝缘管道、屏蔽电极和接地屏蔽罩。图是一个电极传感器的剖视图。利用电容的边缘效应,传感器对具有一定介电常数的介质会产生相应的电容值。各检测电极之图电极传感器的剖视图?间的组合可提供多个电容测量值,并以此作为重建图像.的投影数据。万方数据第
6、期赵玉磊等:电容层析成像技术的研究进展与分析近年来,国内外学者对系统中的传感器进行了面或双平面中。然而,针对不同的应用环境,往往需要结许多有益的探索,取得了一系列的研究成果。针对电容构迥异的电容传感器,同时为达到更好的成像效果,也传感器的研究可以分为类:一是研究没计新型结构的需要对传感器结构提出新的设计思路。因此,国内外学传感器;二是对已有传感器进行结构参数的优化设计;三者对传感器进行一系列的创新设计。设计是设计具有特殊结构的传感器。传感器需要解决的主要问题有:确定电极的几何形状和.】新型传感器设计数目、内外电极的配合使用、设计合理的接地
7、屏蔽层和驱一般情况下,传感器具有或个电极每个动保护电极、高温高压问题、传感器直径的限制和双平面电极的长度为左右,所有电极被均匀固定在绝缘传感器问题”。表列卅了一些特点显著并且成像效果架上,并被接地屏蔽层所包围。大多数传感器的形状是优良的传感器。直径为.~的圆形,并且将检测电极置于一个平表新型结构的传感器珈.传感器结构参数的优化不同的应用领域各有侧重,而结构参数直接影响传感器由于传感器采集到的信号非常微弱,并且容易受到的性能。因此,优化传感器的主要工作就是研究各结构噪声的影响,导致传感器的信噪比低,因此,为了保留已参数对传感器性能的影响,寻
8、找各参数之间的最优平衡。有传感器的结构,并提高图像质量,有必要对传感器的结影响电容传感器性能的参数有很多种,包括检测电极的构参数进行优化。几何参数、极板的材料、极板的数目与间距、屏蔽电极的衡量
