（测试计量技术及仪器专业论文）提高电容层析成像系统图像分辨率的方法研究.pdf

f i ! ；i i ：论义 提l , q jl u 容层析成像系统l 型像分辨毕的方法研究 摘要 电容层析成像技术是基于电容敏感原理的过程层析成像技术，具有非辐射、非侵入、 响应速度快、成本低廉和安全性能好等优点，已发展成为一门重要的多相流参数检测技 术，在工程应用中有着广阔的应用前景。但电容层析成像技术发展至今还有一些不完善 的地方，其中电容层析成像系统的图像分辨率低即是一大难点。 本文工作的重点是关于提高电容层析成像系统图像分辨率的方法研究，独创性地提 出了一种基于旋转电容原理的新方法，即在不增加电极对数、不降低灵敏度的情况下增 加有效测量数据，从而提高系统的图像分辨率；设计并调试出传感器升关网络、极板控 制等硬件电路，最后通过对比实验证实了这种新方法能够提高电容层析成像系统的图像 分辨率。 另外，本文设计并成功调试出基于差动充放电原理的微小电容检测电路，完成了数 据采集系统的组建工作；对图像重建算法进行了比较，最后选择出最适合电容层析成像 系统图象重建的神经网络算法。实验表明这一套完整的系统方案是可行的j 关键词：多相流电容层析成像旋转电容法图像重建 a b s t r a c t 硕l ：论文 a b s t r a c t e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ( e c t ) i so n ek i n do fp r o c e s st o m o g r a p h y ( p t ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fc a p a c i t a n c es e n s i t i v e ，w i t hn o n r a d i o a c t i v e ，n o n i n t r u s i v e ，f a s ti n r e s p o n s e ，l o wi nc o s t ，s a f ea n ds oo n i th a sb e c o m eo n e o ft h ei m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o r 山e d e t e c t i o no fm u l t i p h a s ef l o wp a r a m e t e r s ，a n da l s oh a sag o o dp r o s p e c ti ne l l g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s b u tt h e r ea r es t i l l s o m ei m p e r f e c t i o n ss of a r , a n dt h el o wr e s o l u t i o no fi m a g e r e c o n s t r u c t i o ni sad i f f i c u l t y t h i sp a p e rf o c u s e do nr e s e a r c h i n gt h em e t h o d so fi m p r o v i n gt h er e s o l u t i o no fi m a g e r e c o n s t r u c t i o n ，p r o p o s e d an e wm e t h o d c r e a t i v e l y , b a s e do n t h ep r i n c i p l eo fr o t a t i o n c a p a c i t a n c e w h i c hc a ni n c r e a s ee f f e c t i v em e a s u r e m e n td a t an o ta tt h ee x p e n s eo fi n c r e a s i n g t h en u m b e r so fe l e c t r o d ea n dr e d u c i n gt h es e n s i t i v i t y , s ot h a ti m p r o v et h e r e s o l u t i o no fi m a g e r e c o n s t r u c t i o n ；t h ep a p e rh a sd e s i g n e da n dd e b u g g e dt h es w i t c h i n ga n dc o n t r o l l i n gh a r d w a r e s u c c e s s f u l l y ；t h ep a p e rc o n f i r m e dt h a tt h i sn e w m e t h o dc o u l di m p r o v et h e r e s o l u t i o no fi m a g e r e c o n s t r u c t i o nb yc o m p a r i n gt h ef i n a lr e s u l t s i na d d i t i o n , t h ep a p e rh a sd e s i g n e da n dd e b u g g e dt h ec i r c u i to ft i n yc a p a c i t a n c ed e t e c t i o n b a s e d0 1 1c h a r g i n g d i s c h a r g i n gp r i n c i p l e ；a tl a s t ，w es e l e c t e dt h eb e s ta l g o r i t h mf o ri m a g e r e c o n s t r u c t i o nb yc o m p a r i n gs o m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew h o l ep a c k a g ei sf e a s i b l e k e yw o r d s ：m u l t i p h a s ef l o w ，e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y , c i r c u m v o l v e c a p a c i t a n c e ，i m a g er e c o n s t r u c t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：加髫年名月阳 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 压强 伽肄月加日 硕i ：论文提，苛l u 容层析成像系统图像分辨牢的方泫研究 1 绪论 1 1 层析成像技术综述 在工业过程中存在着大量的多相流参数测量问题 1 】。例如油f f l 产出的原油中通常央 杂着天然气、水甚至泥沙等多种组分，为了对这种多相流体进行实时测量，必须能及时 了解原油中各组分含量，即分相含率【2 】。又如在化工、冶金、能源、动力等工业部门， 常使用管道输送系统，即利用空气或液体作为载体传送固体颗粒或粉料，了解管道传输 过程中的各组分浓度分布情况，对于控制传输数量、管道传输的安全运行和提高传输效 率是很必要的。因此，多相流参数的检测十分重要。 由于多相流检测参数的复杂性，目前检测难度比较大，还缺少一定的检测手段。因 此，对于多相流体中参数的检测研究，仍是一个热点问题，受到各国科学工作者的高度 重视。 过程层析成像技术【3 1 ( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称e t ) 的产生和发展与科学研究和工 程实践中对多相流过程内部信息的迫切需求密切相关，它是随着计算机技术和检测技术 的不断进步而形成和发展起来的一种新型的过程参数检测技术，是以多相流为主要研究 对象的过程参数三维分布状况的在线实时检测技术，是医学诊断中的计算机层析成像 ( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，简称c t ) 技术在工业过程中的应用。该技术的出现提供了一 种低成本、非侵入的参数检测手段，目前的研究已显示出该技术在解决多相流参数测量 问题中的巨大潜力。 目前大多数的p t 系统结构可用图1 1 1 所示。 图像显示 相含率、流型等 、 电阻 电容 千千 土 超卢 光学 数据特征 x 射线 图像 电荷感应 采集 重建 参数 浮 电磁感应 控制提取 核磁共振 图1 1 1p t 技术结构框图 在p t 系统中，传感器一般由多个包围被检测区域的敏感阵列【4 】组成。这些阵列可 在极板控制电路及数据采集系统的控制下依次在一定空间内建立其敏感场，并可从不同 位置上依次柬对敏感场进行扫描检测。检测到的信息反映了其敏感空间内不同区域内被 检测物场的物理化学等特性。极板控制电路及数据采集系统可完成对传感器的控制及敏 i i 绪论硕i j 论文 感阵列输出信号的转换任务，并把数据采集系统所得电容值发往计算机。计算机依据得 到的反映物场特性参数分布的投影值，依掘敏感阵列与被测物场相互作用的原理，使用 定性或定量的图像重建算法重建出反映参数分柿的图像。在重建出的图像的基础上，采 用一定的信息处理方法，从中进一步提取出所需要的参数( 流型、分相含率等) 。 1 1 1p t 的分类 p t 技术经过二十多年的发展，已经有多种不同原理的p t 系统问世。p t 技术依传 感器机理的不同可主要分为核p t ( x 射线、，射线、中子射线等) 、核磁共振、光学、 电学( 电容、电阻、电磁、电荷感应等) 、微波、超声等。表1 1 1 1 列出了各种层析成 像系统的基本特点和应用范围。 基于不同敏感机理的p t 技术都具有各自的特点和应用对象。作为一种面向工业应 用的高新技术，可否得到推广，主要取决于p t 系统在应用中的测量精度、重建图像质 量、对工业现场的适应性、安全可靠性、成本等几方面是否满足了要求。 超声p t 技术是一种很有前途的流动层析成像方法，从原理上讲能适用于大多数工 业多相流生产过程的参数检测。它成本较低、非辐射无安全防护问题，实时性较好、重 建图像质量也较高，因此该技术的工业应用前景乐观。但该技术是基于超声波的扫描测 量，系统响应速度慢，不适合高速的两相流参数在线测量，同时测量结果受介质温度变 化影响也是该技术在应用中面临的问题之一。 x 射线、，射线和中子射线流动层析成像等基于核辐射的流动层折成像系统，其检 测系统存在固有的不安全性和经济性问题。光学相干层析成像技术在医学领域有着巨大 的潜力，如果两相流中包含的介质是不透明的，则光学相干层析成像就不适用了。核磁 共振法测相浓度与流体的导电率、温度等物性参数变化无关，属于非接触测量方式，适 于测量腐蚀性和易聚合物质：但是核磁共振法结构复杂，成本高，经济性差。 核p t 技术的最大优势是敏感场是硬场，投影数据多，重建图像质量高，并具有可 借鉴的成熟的医学c t 技术。近年来人们在提高系统的安全性、实时性等方面都做了许 多改进，系统工业实用化程度有所改善。但由于该技术所固有的慢速缺陷，要提高它的 实时性以满足多相流动参数的检测要求还相当困难。加上人们对核辐射恐慌的心理、较 昂贵的价格等因素都成了该技术在工业应用推广的障碍。因此，核p t 很难成为p t 技 术研究发展的主流。 电荷p t 成本低、实时性好，但它仅适用于带有电荷的多相流，而且影响流体带电 的因素很多。 电学p t ( e m t 6 1 、e r t t 7 1 、e c t ) 具有成本低、实时性好、非接触或非侵入、系统结 构简单、非辐射安全可靠等优点。但其检测场固有的软场特性，影响了重建图像精度。 它又可分为电容层析成像( e c t ) ，电阻层析成像( e r t ) 和电磁层析成像( e m t ) 。 2 硕i 论义 提高l 乜容层析成像系统幽像分辨串的方法研究 电学 层析 成像 超声 层析 成像 光学 层析 成像 辐射 层析 成像 核磁共振 微波层析成 像 电荷层析成 像 电容 ( e c t ) 电阻 ( e r t ) 电磁 ( e m t ) 反射 透射 干涉 t o f 透射 辐射 干涉 z 射线 y 射线 正电子 发射 正电子 粒子示踪 绕射 低 低软场 低中 中高 两相流，流化床，火焰检测 水力旋流器，两相流，混合过程 两相流，无损检测 介于软气液两相流 场和硬泡状流 场之间无损检测 流体空隙率，炉温成像，流速成 像 多相流，火焰检测 硬场温度场成像 混合过程，流动成像 多相流，混合过程，流化床，填 料塔 多相流，流化床，无损检测 高高硬场 粒子流，稳态离析过程 高 中 高 高 软场 软场 各种流动过程中的浓度轮廓 腐蚀性和易聚合物质 无损检测，两相流，热传感 静电感应低 中软场 气同两相流流速，流型 e r t 技术是一种非侵入、接触式测量技术，它利用场域边界测量电压的变化重建出 场域内的电导率分布状况，实现可视化测量。适用于各相介质具有不同电导率的场合， 它的许多技术是从医学c t 中移植过来的，研究历史相对较长并已取得了许多令人鼓舞 的成果，预示了该技术广泛的工业应用前景。 e m t 技术尚处于研制丌发阶段，其独特之处在于它的双模性，即可同时获得电导 3 1 绪论 硕j ：论文 率和电磁率的分布，这将有助于消除单模系统中图像重建误差引起的不确定性。但对于 单纯电阻率的测量来说，与e r t 技术相比并无多少优势，因此其主要应用领域是导磁 介质的测量，这在一定程度上限制了它的应用范围。 e m t 技术由英国曼彻斯特大学理工学院于2 0 世纪9 0 年代初期率先提出，目前还 处于起步阶段。在国内，天津大学于1 9 9 3 年丌始此项研究，并已研究成功一种原型系 统。在测量时，由控制及数据处理电路产生的交变激励电路通入激励线圈，在物场空间 产生某一方向的交变磁场，物场空间中导电性或导磁性物质的存在将会改变磁场的分 布，检测线圈以感应方式得到磁场的分布信息，即一个投影。通过电路控制，可以改变 激励场的方向，从而可以得到多个投影信息。这些信息通过数据处理电路的处理、图像 重建显示物场中物体的分布。电磁层析成像能同时获得电导率和磁导率分布的信息( 双 模式成像) 。对物体导致的信号变化进行定量分析表明，工作频率在1 m h z 以下，电磁 层析成像检测磁性物质和高电导率物质不存在问题。 e c t 是基于电容敏感原理的p t ，具有非辐射、非侵入、响应速度快、成本低廉和 安全性能好等优点，在工程应用中有着广阔的应用前景。 1 i 2p t 的现状及发展趋势 自本世纪八十年代初p t 技术被提出以后，许多国家的科技人员，尤其是从事多相流 检测的研究人员纷纷投入到该领域研究。 1 9 8 5 年，英国曼彻斯特大学理工学院( u m i s t ) 以m s b e r k 教授为首的研究小组丌始 应用8 电极阵列式电容传感器对油气两相流和气固两相流进行成像研究。1 9 8 8 年他们研 制成功8 电极电容层析成像系统，并于1 9 9 0 年进一步改进为1 2 电极电容层析成像系统。 该系统采用基于电荷转移原理的电容数据采集单元，并配备了 t r a n s p u t e r 阵列式处理器 对数据进行并行处理以提高系统的实时性，并在流体实验装置上对油气两相流进行了成 像实验。1 9 9 8 年，u m i s t 丌始了应用电阻层析成像技术监视导电流体的研究工作。在法 国，欧共体支持的微波层析成像技术也在研究之中。至1 9 9 0 年，由于p t 技术作为在过 程设计与运行中有较大潜力的技术已逐渐成熟，欧共体的科学技术委员会拨款支持一项 为期4 年的“欧洲过程层析成像联合行动( e u r o p e a nc o n c e r t e da c t i o n o n p r o c e s s t o m o g r a p h y , 简记e a 妤t ) 计划”，其目的是将不同学科联合起来以加快层析成像技术的 开发和应用。从9 2 年丌始至9 5 年，每年一次分别在英国的m a n c h e s t e r 、德国i j o k a r s r h e 、 葡萄牙的o p o r t 和荷兰的b e r g e n ：召开了4 届会议。由于e c a p t 的实施大大促进了欧洲在p t 技术方面的进步，随着p t 技术所拥有的巨大潜力逐渐为人们所认识，美国工程基金会 e n g i n e e r i n gf o u n d a t i o n 分别于9 5 年在加州的s a nl u i so b i s p o 和9 7 年在荷兰的d e l j f i 召开了 工业过程层析成像技术前沿会议( f r o n t i e ri ni n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ) 。在9 7 年的会 议上，论文主题分别为：过程监视和控制的层析成像检测技术( t o m o g r a p h i cs e n s i n gf o r 4 顾i ：论文 提高i u 容层析成像系统幽像分辨率的方法研究 p r o c e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 ) ；新型敏感系统与数据处理( e m e r g i n gs e n s o rs y s t e ma n d d a t ap r o c e s s i n g ) ；层析成像数据解释与处理( t o m o g r a p h yd a t ai n t e r p r e t a t i o na n d p r o c e s s i n g ) ；工业应用( i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n ) 。由此可见，p t 技术的研究已相当深入。 此外，19 9 6 年8 月由英国政府的t e c h n i c a lf o r e s i g h tc h a l l e n g e 计划组织了三所大学 ( u m i s t ，u n i v e r s i t yo fl e e d su n i v e r s i t yo fe x e t e r ) 成立了“工业过程层析成像技术虚拟中 一i 二, ( t h e v i r t u a lc e n t e rf o ri n d u s t i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ) ”，该中心于19 9 9 年主持召开了“第 一届工业过程层析成像技术世界大会( 1 s tw o r l dc o n g r e s so ni n d u s t r i a lp r o c e s s t o m o g r a p h y ) , 并f l - i i c h e m e 、i e e 、e n g i n e e r i n gf o u n d a t i o n 协办1 9 9 4 年以u m i s t 为技术后 盾成立了一家专门提供过程层析成像技术设备的公司p r o c e s st o m o g r a p h yl t d 。 在国内，清华大学和天津大学于2 0 世纪8 0 年代率先进行了流动层析成像技术的研究， 而后浙江大学、东北大学、武汉大学、浙江工业大学、中国科学院和哈尔滨理工大学等 高等院校和科研单位也相继丌展研究，已经开发出几种基于不同传感机理的流动层析成 像样机系统。国家自然科学基金委员会几个有关工业部门也给予有利的资助以支持流动 层析成像技术的研究和开发。 p t 技术经十几年的发展，现已提出十几种不同敏感机理的系统。其中e c t 是一种基 于电容敏感机理的层析成像技术，它具有测量速度快、非侵入、成本低、适甩范围广等特 点，是目f i j i f p t 较为成熟的技术之一。但是e c t 发展至今还有一些不完善的地方，离工程 应用还存在很大距离，有待于进一步的探索和研究。 1 2 电容层析成像技术 1 2 1e c t 简介 e c t 是2 0 世纪8 0 年代中后期发展起来的p t 技术，它具有响应速度快、成本低、非侵 入、应用广泛等优点，被认为是当前过程层析成像技术发展研究的主流。 e c t 是较早被研究的一种p t 技术。1 9 9 0 年该系统发展成为1 2 电极，并采用高速并行 处理器件的e c t 系统，在油气混合流体实验装詈上稳定运行，图像重建速率为4 0 幅s ，并 可以1 0 0 次s 的速率更新所存储的图像像素灰度数据实验中液相采用煤油，气相采用压 缩氮气，图像重建采用定性反投影法。美国能源部也于1 9 9 0 年研制成一种在线监测流化 床内物料密度三维分布的电容层析成像系统，该传感器阵列有四层，每层由1 6 个极板组 成，系统能以6 0 1 0 0 幅s 速度重建图像，从重建图像中，可以观察气泡的复合现象，并 可以提取上升速度、气泡尺寸等参数。1 9 9 5 年英国过程层析成象有限公司( p r o c e s s t o m o g r a p h yl t d ) 推出了商品化的e c t 系统p l t 2 0 0 ，该系统采样速率为1 0 0 幅s ，图像重 建与显示速率为4 0 幅s ，传感器与二次仪表的最大距离可达2 5 0 m 。从美国杜邦公司研究 发展部和澳大利亚c s i o 矿业公司的研究人员们使用p t l 2 0 0 f l , 勺情况来看，该技术对于流 1 绪论 硕士论文 床化运行工况的优化是一个有价值的工具。许多国家研究人员的实验表明：用e c t 来监控 颗粒物料的风力输送具有较为明显的优势。 国内对e c t 也进行了初步的研究，并取得了一定的成果，浙大黄志尧博士提出一种 正则化广义逆流型辨识重建算法，并根据流型变化的随机特性和模糊特性提出了一种流 型模糊判别方法，取得了较好的实验结果。清华大学张宝芬教授等采用有限元分析法， 对传感器敏感场及不同流型对应的电容值进行了仿真计算，对图像重建过程中的图像失 真和电容传感器“软场”特性进行了相关分析，为传感器制作及相应的图像重建算法提 供了理论依据。一j 从国内外的研究报道中可以看出，e c t 已在实验室研究中取得了有意义的研究成 果。目f i l e c t 的研究重点是从实验室向工业现场应用的转变。由于从事p t 技术研究的人 员有限以及经费的不足，相对于国外，国内对于这项技术的研究比较落后。从国内的文 章报道中来看，大多都是集中在实验室的仿真计算方面，对于e c t 系统的某个方面有一 定的研究，但是并没有组成完整i j 勺e c t 系统。 e c t 系统主要包括3 个部分：阵列式电容传感器，数据采集与信号处理单元、图像重 建与分析显示单元。其结构原理图如图1 2 1 1 所示。 图1 2 1 1e c t 系统构成原理图 e c t 是利用多相介质往往具有不同的介电常数，通过阵列电极电容变化反映管道中 多相介质分布，从而构造出管道截面各相介质的分布图像。阵列式电极电容敏感系统【l o 】 通常由均匀安装在绝缘管道外壁的阵列电极构成。数据采集单元测量任意一对电极间的 电容值，获得不同观察角度下“投影数据并馈入成像计算机。利用所测的投影数据再 根据图像重建算法即可获得敏感场介质分布的断层图像，投影数据的多少在很大程度上 影响图像重建的质量。 1 2 2e c t 系统的关键技术 e c t 的特点有： ( 1 ) 将传统的对过程参数的单点、局部的测量，发展为多点、截面分布式测量； ( 2 ) 在不破坏、干扰流体流动的情况下，获得管道或设备内部多相流体的三维分布信 6 硕| 一论文提高l u 容层析成像系统图像分j 9 串的方法i o b t 息，为在工业条件下对基于热动力学、反应动力学和流体动力学原理建立的过程、设备 模型的证实提供一种方便的手段； ( 3 ) 可以为优化过程设备及装置的设计，改进过程工艺，实现多相流体输送，反应复 杂生产过程的调整与控制提供全面、准确的信息和辅助的研究手段； ( 4 ) 与其它几种p t 相比较，e c t 系统的传感器结构简单，成本低，安全性能好，适 用范围广泛( 它从理论上仅要求多相流动各相介质有一定的介电常数差异，故而适用于 绝大多数工业多相流生产过程的参数检测) 。 此外，e c t 技术现在还存在一些难点】，主要有： 第一，电容传感器本身输出的电容值即初始电容值较小，而反映介质变化的电容量 相对于初始电容则更小，因此对电容检测电路和数据采集系统的灵敏度和抗干扰能力要 求很高； 第二，图像重建的难度较大。由于e c t 系统本身固有的非线性特点，以及能得到 的独立电容测量值( 即投影数据) 数量非常有限，远远小于重建图像的像素个数，反演 问题不存在解析解，重建的难度大； 第三，e c t 系统图像分辨率目前不能满足要求，有待于进一步的提高。由于电容传 感器极数较少，因此获得的投影数据十分有限。如8 极板只能提供2 8 个独立的投影数据， 1 2 极板只能提供6 6 个投影数据，如此少的投影数据给高质量的图像重建带来困难。 本文的主要工作就是研究提高e c t 系统图像分辨率的方法。 7 2 提高e c t 系统图像分辨半的新方法 倾l j 论文 2 提高e c t 系统图像分辨率的新方法 提高e c t 系统分辨率主要取决于投影数据的多少，其主要途径就是增加电容传感器 极板的极数。目前常用的e c t 系统电容极板数目是6 ，8 ，1 2 ，1 6 ，对于一个具有n 极板f l 勺e c t 系统，可得到的独立电容测量值数目为n m 1 ) 2 。随着极板的增加，得到的独立测量值 越多。但电极数目的增加也会造成很多影响： ( 1 ) 信噪比降低、边缘效应增大； ( 2 ) 对敏感场分布和测量信号将产生影响。电极数目的增加，必然导致相邻两个电极 之间的距离变小，从而电力线更多的穿越场域边界，造成场域边界的灵敏度进一步提高， 而场域中心的灵敏度进一步降低等问题。 但是如果不增加极板的极数，系统分辨率就得不到提高。为了解决这个问题，本文 提出了一种基于旋转电容的新方法，即在不增加电极对数、不降低灵敏度的情况下增加 有效测量数据，从而提高系统的图像分辨率。 2 1 旋转电容法的提出 本课题提出的旋转电容法是e c t 系统关键技术的一个很大的突破，其主要设计理 念是：要把一个事物观察的比较清楚，需要从各个“角度来看它，每一个角度都会给 一个信息给主体，也就是说足够多的信息量需要观察足够多的“角度”，例如一个固定 的摄像机可以用来拍摄事物的一个侧面，再多个位置安置摄像机则可以拍摄事物的多个 侧面。然而因为条件有限，只能有一台摄像机的时候，摄像师多半采用的方法是把摄像 机移动到各个角度摄像，从而清楚地记录整个事件。 旋转电容法就是利用这种思想，将大极板细分成若干相等的小极板，再通过小极板 的多样化组合组成不同的大极板。这样就可看似传感器在以一定的角度旋转，可提供更 多的扫描数据，从而提高重建图像质量。下面以八极电容传感器每极板细分三小份为例 具体介绍这种新方法。 如图2 1 1 ( a ) 所示，它是一个常用的具有8 极板的传感器，设极板号为j 1 ，j 2 ，j 3 ，j 4 ， j 5 ，j 6 ，j 7 ，j 8 。e c t 系统在一个完整的测量过程中，首先，极板j 1 先被选作激励( 源) 电极，其余作为检测极，顺序测量儿 j 2 ，儿一j 3 ，儿一j 7 ，j 1 j 8 之间的电容量； 然后选择电极j 2 为激励电极其余作为检测极，顺序测量j 2 j 3 ，j 2 一j 4 ，j 2 。j 7 。， j 2 j 8 。之间的电容量：依此类推，直至测量j 7 。j 8 t 。 旋转电容法可以用以下简便方法等效，先将每个大极板( j l ，j 2 ，j 3 ，j 4 ，j 5 ，j 6 ，j 7 ， j 8 ) 细分为尺寸相等的3 块小极板，即为如图2 1 1 ( b ) 所示的传感器，小极板阵列为 j 1 , j 2 ，j 2 4 ，极板之间的间隔很小。然后将3 块相邻小极板通过模拟开关连接组合成一 个等效的大极板。在三小极板并联的条件下所具有的组合方式如表2 2 1 所示，图2 1 2 8 硕| = 论文 提高i l 三容层析成像系统幽像分辨牢的方法研究 是对应的3 种组合，2 1 2 ( a ) 的组合相当于等效极板j 1 j 8 不旋转，2 1 2 ( b ) 的组合相当 于等效极板儿j 8 旋转1 5 度，2 1 2 ( c ) 的组合相当于等效极板儿一j 8 旋转3 0 度。 j 1 、 ! 勤弋甾 j 1 3 坐 ( b ) 图2 1 1e c t 传感器横断面结构图 ( b ) ( c ) 图2 1 2 传感器极板不同组合方式下的横断面结构 表2 1 1 极板的儿种组合方式 通过以上旋转，就实现了在不增加传感器极板数目的情况下，通过改变极板的组合 方式三倍地提高电容层析成像系统的独立电容测量值数，从而为提高图像重建的分辨率 9 r k 2 提高e c t 系统幽像分辨半的新方法 硕j j 论义 奠定了数据基础。 2 2 旋转电容法的具体实现电路 2 2 1 传感器开关网络电路 旋转电容法的开关网络电路如下图2 2 1 1 所示。 图2 2 1 1开关网络的硬件电路 u l ，u 2 ，u 3 ，u 4 ，u 5 ，u 6 为6 片c d 4 0 5 1 三a 模拟开关，u 7 ，u 8 ，u 9 ，u 1 0 ，u 1 1 , u 1 2 为6 片 c d 4 0 6 6 四个一对一模拟开关，c o n 2 4 相当于传感器的2 4 极。c d 4 0 5 1 主要是用来选择源 极板和检测极板，当其中两个大极板处在工作状态时，其它极板均通过c d 4 0 6 6 接为虚 地。接为虚地的目的是当任意两个大极板工作时避免其它极板对工作极板产生不必要的 影响。该电路实现了极板间的自动切换，相当于将传感器不断旋转，从而得到八十四个 测量值。具体测量过程如下： ( 1 ) 当u 1 ，u 2 ，u 3 的管脚1 3 被选通时，极板j 1 ，j 2 , j 3 被选中，这三个极板一起构成了图 1 0 硕l j 论艾提向f u 容层析成像系统图像分辨牢的方法研究 2 1 2 ( a ) 中的极板j 1 ，同时通过u 4 ，u 5 ，u 6 依次选择相应的j 4 、j 5 、j 6 ( j 2 ) ，j 7 、j 8 、j 9 ( j 3 ) ， j 1 0 、j 1 1 、j 1 2 ( j 4 ) ，j 1 3 、j 1 4 、儿5 0 5 ) , j 1 6 、j 1 7 、j 1 8 ( j 6 ) ，j 1 9 、j 2 0 、j 2 1 ( j 7 ) , j 2 2 、j 2 3 、 j 2 4 ( j 8 ) 。在以上整个不断选择过程的同时，顺序测量j 1 j 2 ，j 1 一j 3 ，j 1 一j 7 ，j 1 一 j 8 之间的电容值，测量j 2 一j 3 ，j 2 一j 4 ，j 2 一j 7 ，j 2 j 8 之间的电容值，直至j j j 7 j 8 ， 这种情况下可得2 8 个电容测量值。 ( 2 ) 当u l 的管脚1 4 ，u 2 ，u 3 的1 3 管脚被同时选中时，也就是j 2 ，j 3 ，j 4 被选通，这三个极 板一起构成了图2 1 2 ( b ) 中的极板j 1 ，同时通过u 4 ，u 5 ，u 6 依次选择相应的j 5 、j 6 、 j 7 ( j 2 ) ，j 8 、j 9 、j l o ( j 3 ) ，j 1 l 、j 1 2 、j 1 3 ( j 4 ) , j 1 4 、j 1 5 、j 1 6 0 5 ) ，j 1 ，7 、j 1 8 、j 1 9 0 6 ) ，j 2 0 、 j 2 1 、j 2 2 ( j 7 ) ，j 2 3 、j 2 4 、j l ( j 8 ) 。在以上整个不断选择过程的同时，顺序测量j 1 j 2 。，儿 j 3 ，j 1 j 7 ，j 1 j 8 之间的电容值，测量j 2 j 3 ，j 2 j 4 ，j 2 一j 7 ，j 2 一j 8 之间的 电容值，直至j j j 7 j 8 ，这种情况下可得2 8 个电容测量值。 ( 3 ) 当u 1 ，u 2 的管脚1 4 ，u 3 的1 3 管脚被同时选中时，也就是j 3 ，j 4 ，j 5 被选通，这三个 极板一起构成了图2 1 2 ( c ) 中的极板j l ，同时通过u 4 ，u 5 ，u 6 依次选择相应的j 6 、j 7 、 j s ( j 2 ) ，j 9 、儿0 、j 1 1 ( j 3 ) , j 1 2 、j 1 3 、j 1 4 ( j 4 ) , j 1 5 、j 1 6 、j 1 7 ( j 5 ) ，j 1 8 、j 1 9 、j 2 0 ( j 6 ) , j 2 1 、 j 2 2 、j 2 3 ( j 7 ) , j 2 4 、儿、j 2 ( j 8 ) 。在以上整个不断选择过程的同时，顺序测量儿 j 2 ，j 1 j 3 ，j 1 一j 7 ，j 1 j 8 之间的电容值，测j 2 j 3 ，j 2 j 4 ，j 2 一j 7 ，j 2 j 8 之间的电 容值，直至- i j j 7 j 8 ，这种情况下可得2 8 个电容测量值。 2 2 2 单片机控制电路 在本电路中，极板的选择是通过单片机p 8 9 c 5 1 r d 2 和8 2 5 5 a 来共同控制的【l 2 1 。 本文采用p h i l i p 公司生产的8 位单片机p 8 9 c 5 1 r d 2 ，它是基于8 0 c 5 1 中央处理单元的 微控制器，与5 1 系列单片机完全兼容。利用8 2 5 5 的p a 、p b 、p c 进行基本的输出控制， 所以选择方式o 即可。控制电路如图2 2 2 1 。 l 。： 引耋l 。 器器车 c mi 。 -h|)2- ；崇； i i j 7 孽黧嚆葜喇 厂= _ r 丧。惠j - l 。1 。 ； u v ( r l 莽 琶 旧日妇 菲爹霜 1 i i 吊 畦串 l 幽2 2 2 1 控制电路 采用p 8 9 c 5 1 r d 2 的p 11 2 1 ，p 3 2 ，p 3 3 以及通过8 2 5 5 扩展的p a 口、p b 口、p c 口 来控制极板的2 4 极的切换以及接地端的选择。三个端口只需要作为基本的输出，故方 式控制字为0 x 8 8 。根掘p 8 9 c 5 1 r d 2 和8 2 5 5 a 的硬件连接图可知，8 2 5 5 a 的a 、b 、c 蔫丑蔫鼐丑糕黧一 一脚吣晰晰聊雕卧暇肼呲剐咖盯瞄群刚聍啦哪黜 u m眦洲脚藿一3削舯咐叭旷酷阱m一帆一胁噼 2 提高e c t 系统幽像分辨率的新方法 硕j l j 论文 口和控制寄存器地址依次为0 x o f f 7 c 、0 x o f f 7 d 、0 x o f f 7 e 、o x o f f t l 单片机与外围8 2 5 5 来 共同完成极板工作状态的设置。 以极板1 2 3 做源，极板4 5 6 做检测为例，对应的主要控制程序为： # d e f i n ep a 8 2 5 5 x b y t e 0 x o f f 7 c ；定义a 口 # d e f i n ep b 8 2 5 5 x b y t e 0 x o f f 7 d ；定义b1 ：3 # d e f i n ep c 8 2 5 5 x b y t e 0 x o f f 7 e ；定义c 口 # d e f i n ec o m 8 2 5 5x b y t e 0 x o f f 7 t ；定义控制口 c o m 8 2 5 5 = 0 x 8 0 ；工作在方式0 ，a 口、b 口、c 口都为输出 p 2 = 0 x 0 0 ；以下选择极板j 1 ，j 2 , j 3 作为源极 p 33 = 0 x 0 0 ； p l = 0 x 4 9 ；以下选择极板j 4 ，j 5 ，j 6 作为检测极 p 3 - 2 = 0 x 0 0 ； p a 8 2 5 5 = 0 x c 0 ；以下选其余极板接地 p b 8 2 5 5 = 0 x f f ； p c 8 2 5 5 = 0 x f f , 2 2 3 开关网络控制的程序设计 开关网络的切换控制主要由单片机及控制程序共同完成。每隔1 秒相应做一次切换。 另外，为了方便调试程序，在电路中增加t 2 4 个指示灯束显示极板的切换状况。丌关网 络的切换控制流程图如图2 2 3 1 所示。 图2 2 3 1 开关网络的切换控制流程图 蛳f 论文 提，苛l u 容崖析成像系统幽像分辨半的方法 f 究 2 2 4 开关网络控制电路的性能测试实验 为了验证旋转电极是否能够按照预想的顺序选择相应的极板，本文在控制电路的基 础上加2 4 个发光二极管作为选通电容传感器2 4 极板的标志。2 4 个发光二极管阳极接5 v 电源，阴极接到对应传感器的位置。没有被选中的二极管由于直接接地而发光。图22 4 1 是控制开关网络的调试电路。 k 、3 一 醢2 241 开关网络的控制电路调试板 由开关网路、控制电路以及相应软件的共同控制下，顺利完成了2 4 极板按一定的顺 序切换。极板的切换顺序如2i1 表格所示： 首先，儿1 j 2 1 ，儿。j 3 ”儿j 7 ，j 1 。j 8 顺序被选通，对应的发光二极管也相应 地被点亮；然后j 2 j 3 。，j 2 1 一j 4 1 j 2 j 7 ，j 2 j 8 。依次被选通；依此类推，直至电极 对j 7 。j 8 ： 其次，j 1 j 2 ，j 1 j 3 一j 1 j 7 ，j 1 j 8 1 顺序被选通，对应的发光二极管也相应 地被点亮：然后j 2 j 3 ，j 2 一j 4 ，j 2 1 j 7 ，j 2 j 8 依次被选通；依此类推，直至电极 对j 7 j 8 ： 最后，j 1 。j 2 。，j 1 j 3 。j 1 1 j 7 。，j 1 。j 8 顺序被选通，对应的发光二极管也相应 地被点亮；然后j 2 j 3 ，j 2 j 4 一j 2 j 7 1 ，j 2 j 8 依次被选通；依此类推，直至电极 对j 7 j 8 。 这样就准确无误地完成了2 4 个极板按一定顺序的自动切换。此实验可以证明丌关 网络符合设计要求。 3e c t 系统的碘件设计硕i ：论文 3e c t 系统的硬件设计 3 1e c t 系统的原理 应用于多相流参数的检测的e c t 技术的基本原理是：位于管道或过程容器内的多相 流，其各相介质具有不同的介电常数，多相流在流动时，各相含量和分布不断变化，引 起多相流体复合介电常数的变化。电容传感器阵列由均匀的分布在管道或过程容器周围 的多对电容极板组成，任意两个不同极板组成一个两端子电容，对应着不同的测量敏感 区，其容量由数掘采集系统测量，在所有不同电极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，这些数据通过某种图像重建算法，就可以获得被测对象在 该管道截面上的分布图像。【1 4 】 本e c t 系统主要由以下几个部分组成：( 1 ) 阵列传感器；( 2 ) 旋转电极切换电路；( 3 ) 微小电容检测电路；( 4 ) 数据采集系统；( 5 ) 图像重建单元。图3 1 1 为e c t 旋转电极系统组 成框图。 图3 1 1基于旋转电容法的e c t 系统组成框图 电容传感器将被测管道中介质的相分布转化电极间的电容；数据采集系统首先通过 电容电压转换电路( 也称c v 转换电路) 将电容转换为直流电压信号，此信号经a d 转换 变为数字量，并发往计算机，经一定的算法重建出图像并显示出来。 3 。2 电容传感器的分析与优化设计 e c t 系统中的图像重建问题是非线性的，传统的图像重建算法不能直接用于e c t 的 图像重建【h 】。目自玎较实用的算法是先通过建立多电极系统的有限元模型来计算出各电极 对之间的电容敏感度分布，并以此作为先验信息，然后用神经网络等算法进行图像重建。 1 4 硕l 论文提矗l 乜容层析成像系统幽像分辨牢的方法研究 重建图像的质量及多电极电容系统的性能很大程度上依赖于电容敏感度分布固有的均 匀性。这种均匀性主要依赖系统电容传感器的几何尺寸及材料参数，因此传感器的设计 尤为重要【16 1 。 为了减少极板间的相互干扰，在传统传感器设计时，极板与极板之间都需要设有隔 离电极，但由于传感器的空间有限，增加极板数的同时，空间位置就不够。本系统采用 的旋转电容法就能很好的解决这个问题，不仅取消了隔离电极，而且可以有效地降低信 噪比。 3 2 1 传感器的结构参数 本系统的电容传感器主要由传感r c l 极、屏蔽罩和绝缘管道组成。其横截面结构如图 3 2 1 1 所示。r 1 为绝缘管道内壁半径，1 2 为极板半径，i 3 为屏蔽罩半径，秒为极板央 角1 1 7 1 。 屏蔽罩 电容电极 绝缘管道 图3 2 1 1屯容传感器横截面结构示意图