电容层析成像技术研究进展.pdf

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1、第11期田海军等．电容层析成像技术研究进展电容层析成像技术研究进展田海军8周云龙6(东北电力大学a．自动化工程学院；b．能源与动力工程学院，吉林吉林132012)摘要在介绍了电容层析成像技术原理及组成部分的基础上，详细阐述了电容层析成像技术的研究现状，包括微小电容检测与数据采集系统、图像重建算法和应用研究，总结了电容层析成像技术在多模态成像、图像重建算法及成像质量评价等方面面临的挑战，并指出了未来努力的方向。关键词电容层析成像微小电容检测图像重建算法中圈分类号TH862文献标识码A文章编号1000-3932(2012)11—1387-06电容层析成像(Electrical

2、CapacitanceTomo—graphy，ECT)技术是20世纪80年代在医学cT技术的基础上发展起来的。最早在1988年，英国UMIST(UniversityofManchesterInstituteofScienceandTechnology)的XieCG等成功研制了8电极电容层析成像系统¨’23，1990年美国能源部Mor—gantown技术中心研制成功了16电极ECT系统∞o，随后欧洲许多国家开始研究ECT技术。在国内，清华大学、中国科学院、东北大学、浙江大学、天津大学及哈尔滨理工大学等多个科研院所也进行了ECT系统的研究，取得了许多可喜得成果。ECT技术的基

3、本原理是：根据被测非导电物质具有不同的介电常数，当混合物的组分或浓度发生变化时，引起混合流体的介电常数发生变化，从而引起传感器阵列的电容变化，经过数据采集和信号处理，通过电容敏感场的先验信息，利用电磁场中的反问题进行求解，建立流体内部的介质分布情况。ECT技术广泛应用于电力、石油、化工及医药等两相流及多相流检测领域。ECT技术具有非侵入及响应速度快等优点，被认为是解决连续相为非导电物质的两相流及多相流成像的最有效手段，同时ECT系统能获取复杂工业过程中管道或者容器截面的可视化信息，对于一些特性复杂多变，常规检测方法存在困难的参数检测提供了有效的手段。国内外就ECT技术研究

4、做了大量的工作，主要包括微小电容检测、传感器结构参数的优化设计、数据采集系统、传感器的敏感场分布、图像重构算法及成像质量评价等，取得了令人鼓舞的成果，笔者主要介绍微小电容检测及数据采集系统、图像重建和ECT系统的典型应用这三方面的研究进展。1电容层析成像系统的组成电容层析成像系统主要由电容传感器阵列数据采集系统、成像计算机及相关的分析解释软件等部分组成，如图1所示。电容传感器阵列包括绝缘管道、管道外壁的检测电极、为减小杂散电容的径向电极及屏蔽电极等；传感器检测电极将管内流体的分布转换成传感器电容(电压)输出；数据采集系统进行A／D转换，将数据送人计算机，计算机通过相应的算

5、法对传感器采集的信号进行图像重构，实现可视化；相关的分析解释软件对管道内介质的状态进行分析，提供相关的参数信息。2电容层析成像技术研究现状2．1微小电容检测及数据采集系统微小电容检测是电容层析成像系统的重点环节，ECT系统的测量电容远小于电路中的杂散电容，因此测量电路应有较高的分辨率及较好的抗杂散电容能力；ECT系统的相邻电容和相对电容的值相差近两个数量级，因此要求电路的测量电容动态范围大；ECT系统成像不同于cT系统成像，ECT系统要求较高的成像速度，应满足流体的高速流动。针对微小电容检测电路的这些特点，研究人收稿日期：2012-07-01(修改稿)基金项目：国家自然科

6、学基金项目(50976108)化工自动化及仪表第39卷一垦]L=数据C采集I—与信号处理》I瓣敌型．⋯⋯⋯皇篓竺⋯⋯一lL⋯一璺堡塑机-⋯⋯一j图1系统结构框图员已经研制出多种微小电容检测方法，英国UMIST的YangWQ和YorkTA最早研制了交流法电容／电压转换电路的ECT系统一。，HuangSM等利用直流充放电法微小电容检测进行了研究怕1，KtihnFT和vanHalderenPA设计了有源差分法电容检测电路旧1，FaschingGE等用高压交流双边激励法研制了三维流态化成像的ECT系统¨。。在国内，律德财等采用高压370V交流激励电路，验证了电容采集电路具有良好的

7、灵敏度及分辨率等静态特性呻3，胡敏等利用集成芯片HTl33设计了微小电容测量电路，验证了电路分辨率达0．5fF，且具有很强的抗干扰性一]，陈德运等采用前向补偿法测量微小电容，并以油水两相流为研究对象，验证了方法的可行性¨引，周云龙等验证了交流法测量微小电容电路中减小反馈电容能够提高灵敏度¨¨。此外，国内在传感器优化设计方面也进行了大量的研究。王化祥等研究了传感器的管道厚度、电极的张角和径向电极的插入深度对ECT敏感场的影响¨“，YanH等对ECT传感器的敏感场进行了三维分析¨31，周云龙等分析了不同的电极覆盖率以及屏蔽电极与电