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1、电容层析成像传感器的优化设计第2l卷第2期仪器仪表2000年1月电容层析成像传感器的优化设计37一州,f颜华邵富群师(东北大学信息科学与工程学院自动化仪表系沈阳110006)——-—————————,'————摘要本文从目标函数与优化方法两方面探讨了电容层析成像传感器的优化『可题,提出一种典型流童重建图像质量综合评分最优为目标,有限元分析与正交设计相结合的优化设计方法.实验结果表明.优化后的传感器重建图像质量有明星改善.关-调电容层析成像传感器优化{TheOptimizingDesignofCa
2、pacitanceTomographySensors下P2/-YanHuaShaoFuqunWangShi(Northe~ternUniversity,Shen.y~zg,110006)AbstractTheoptimizationofcapacitancetomographysensorsisdiscussedf10ntwoaspects:objectfunctionandoptimizingmethod.ThispaperpointsOUtthatthesensorstructurepara
3、metersshouldbeoptimizedbytheeombi-nationofthefiniteelementanalysisandorthogonaldesignmethodwiththeoverallscoreofthereconstructedizn—agefidelitiesoftypicalflowpatternsastheoptimumobjectfunction.Experimentalresultsshowthattheopti-mizedsensorcanprovideb
4、etterreconstructedimages.KeywordsCapacitancetomographySensorOptimizing1引言电容层析成像技术(ECT)是一种基于电容传感机理的过程成像技术,具有非侵入,结构简单,成本低,响应速度快,安全性能好(非辐射),适用范围广(理论上只要求两相介质有一定的介电常数差异)等优点,是目前过程成像技术研究的热点之一.电容层析成像的传感器由均匀安装在绝缘管道外壁的多对电容极板构成.任意两极板组成一两端子电容.对应着不同的测量敏感区,其容量由数据采
5、集系统测量.在所有不同极板对上获得的测量数据反映出整个管道截面上介电常数的分布情况.这些数据被馈入计算机并通过某种重建算法,可以给出被测对象介质分布的断层图.目前,最常用的图像重建算法是滤波反投影算法,该方法以传感器敏感场的灵敏度分布为权值,将所有电容测量值加权后反投影回整个管道截面,经门限滤波处理后得到介电常数分布的重建图像.本文采用的就是滤波反投影算法*本文于1999年1月收到,系国家自然科学基盘,辽宁省教委基金资助项目.研究表明电容传感器的结构参数对电容敏感场灵敏度的分布有重要影响,进而影
6、响着重建图像的质量,因此电容传感器结构参数的优化设计是极其必要的.2目标函数的确定任何层析成像系统的最终评价标准是重建图像的保真度.通常采用静态模型评价屡析成像系统重建图像的保真度并定义空间图像误差SIE.(spatialimageerror)如下:SIE:∑IG;(i)一G(i)I/∑G(i)(1)i=1,2……MGc={善篆季姜襄詈亲嚣c.G(i)=』1单元i位于重建图像高介电常数区域…Io单元i位于重建图像低介电常数区域¨这里矩阵G和G分别对应着模型和重建图像.模型可以phantom模型.
7、M是在绝缘管道内划分的单元(像素)数.SIE反映了人眼所能观察到的重建图像与模型问仪器仪表第21卷的差异,它包括重建图像在形状,面积,以及位置等方面的误差信息,因此是重建图像髁真度的一个良好的评价指标.由于流型对SIE的影响很大,所以各种典型流型重建图像SIE的综合评分才能真实反映成像系统的质量,并用做优化传感器结构参数的目标函数.3优化方法由于无法获得目标函数与传感器结构参数间的解析关系,所以只能采用优化试验的方法寻找最优参数.对于多因素问题,全面搭配试验由于工作量太大是不可取的甚至无法实施,
8、只能采用部分试验法.在实际工作中,人们较习惯采用的是因素轮换法,即固定其它因素,每次只改变一个因素,逐步地得到优化参数.例如XieCG等人就是采用因素轮换法对电容式两相流相浓度传感器进行的优化设计0].因素轮换法的效率相当低,试验误差大,因素多时更是如此,而且先固定那些因素,后变化那些因素,都会影响试验结果.而本文采用的正交设计法,则要优越得多正交设计法是利用数理统计学与正交性原理,应用一套根据数学上的正交性"原理编制并已标准化的表格——正交表,科学地安排试验方案并对试验结果进行计算,分析,迅速
