电容层析成像的技术应用研究

2021-06-16胡叶容

电子技术与软件工程 2021年6期

胡叶容

（深圳职业技术学院广东省深圳市 518055）

1 引言

电容层析成像技术简称ECT，该技术是过程层析成像技术的一种，过程层析成像技术的发展最初是于20 世纪末形成的，过程层析成像技术正式形成后便得到了快速的发展，在短短几十年的发展过程中有了极大的改善。当前过程层析成像技术的主要研究对象为两相流或是多相流，其过程参数主要包含二维或三维分布状况的实时检测技术。过程层析成像技术应用过程中主要是依据Radon 原理，在一定条件下，任何N 维物体都可以通过无限多个N-1 维投影进行重建，此外，PT 技术本质上还能够实现系统对被测对象的某种物理特性分布进行Radon 的变化以逆变化过程。当前对于PT 技术的研究往往将其分为三个部分，分别为ECT 技术、电阻层成像技术以及电磁层成像技术，这三部分技术的应用原理有着很大的不同，在使用过程中最终所测得的信号分别是电容信号、电阻信号以及感应磁场信号，根据其信号的不同也可以进行场内介质介电常数、电阻率分布等进行分析。

2 ECT技术传感器系统及测量和数据采集系统的研究分析

2.1 ECT系统与其他PT技术简要介绍分析

如表1 所示，PT 技术包含三个部分，分别为ECT、ERT 以及EMT，ECT 技术作为PT 技术的一部分，其基本的应用原理主要是利用多项介质所具备的不同介电常数，由此通过电容传感器来得到相应的介质分布图像。一般的，ECT 系统也包含三个单元，即传感器单元、测量以及数据采集单元、计算机图像重建单元。在此过程中，电容传感器可以测得被测场的基本分布情况，同时还能够搜集传感器所得到的相关信息，最后将所得到的信息传递到计算机中，由计算机最终分析计算绘制出相应的场域分布图像。以上便是ECT系统在实际操作过程中绘制场域分布图像的基本机理，据此所得到的图像十分准确，成像过程也是比较简便的，因而在研究过程中得到了广泛的关注。对于PT 技术中其他几方面的技术而言，其他两部分的技术也是通过不同属性的介质进行成像的，不同技术之间的差异主要体现在传感器以及测量模块方面的不同，这也是区分这三种技术的重要参数。一般的，PT 技术中不同方面的模块在数据采集以及图像重建单元方面都是一致的，因而不需要区分数据采集以及图像重建过程，仅仅通过传感器和测量模块便可以清晰的了解不同技术的功能及其优势缺陷所在。其中表1 中给出了电学层析成像技术之间的分析比较结果，重点从所测物理量、典型的介质属性以及介质进行对比分析，以此来更好的了解三种技术之间的不同之处。

2.2 电容传感系统

一般的，电容层析成像的电容传感器是由四个部分组成，分别为检测电极、绝缘管道、屏蔽电极以及接地屏蔽罩。在此过程中，传感器发挥作用主要是利用了电容的边缘效应，由此才能够对具有一定介电常数的介质产生电容值，绘制出最终的图像。电容传感器系统作为ECT 系统的重要组成部分，近些年来对此的研究也在不断进行，并最终取得了一定的成果。对于传感电容器的研究改进主要体现在以下几个方面：首先是研究并设计了新型结构的传感器，第二是对于当前正在使用的电容传感器进行结构方面的优化设计，最后一点则是设计除特殊结构的传感器，这也是当前最为重要的三种传感器设计形式。图1 中给出了电容层析成像中电容传感器的剖面图，以此对电容传感器有一个更为全面的认识，以下便针对当前三种电容传感器的设计方向进行简要的介绍分析。

图1：12 电极ECT 传感器的剖视图

图2：真正的3D ECT 传感器

2.2.1 新型传感器的设计简要分析

当前ECT 系统中所使用的电容传感器的基本结构中包含有8个或12 个电极，这些电极都是被固定的，一般是于绝缘架上被地屏蔽层所包围。此外，其外形也大多一致，多为圆形，然而随着科学技术的发展进步，在实际的应用过程中对于电容传感器也有了更多的要求，这主要是由于实际的应用环境所决定的。一般的，应用环境不同需要不同结构的传感器，只有满足实际的应用环境，最终的成像效果才能有所保障，因而需要对电容传感器进行改进，设计出一种新的电容传感器来满足不同应用环境下的需求。在对新型电容传感器设计的过程中，主要需要解决以下几方面的难题，其中最为重要的几点便是确定电极的外形及其数目、设计合理的接地屏蔽层以及高温高压等。这些方面的问题都很大限制了传统电容传感器的使用。当前新型结构的电容传感器已经研发出很多类型，其中成像效果较好的主要有以下几类，分别为表2 所示。

2.2.2 传感器结构参数的优化简要介绍分析

当前ECT 系统中所使用的电容传感器在应用过程中存在着很大的缺陷，主要体现在信号采集方面，由于该传感器所采集的信号微弱，因而在应用过程中需要对此进行改进，主要是最大限度地提高图像的质量，因而对于电容传感器的结构参数进行优化十分有必要。对于电容传感器结构参数的优化主要可以从以下几方面入手进行研究，分别是信号噪声比、图像重建分别率等，结构参数会直接性的影响到电容传感器的整体应用性能。在参数的优化过程中需要重点关注检测电极的几何参数、屏蔽电极的形状与位置等，以下给出了几种当前研究过程中比较先进的优化方法：首先是正交优化设计发，该方法使用的特点如下，其主要是从电容的敏感角度出发，结合性能参数来进行改进，以此将参数优化的设计作为关键性的研究内容，正交优化设计法的发展方向即向着自动生成的可能参数组合进行。关系曲线法也是比较重要的一种结构参数优化方法，该方法主要是建立优化目标函数及其指标，以此来确定结构参数与优化指标之间的关系曲线，通过关系曲线可以清晰的得出参数的最优值，以此来完成结构参数的改进。

表1：电学层析成像技术的比较

表2：新型结构的传感器

2.2.3 传感器设计新方向的简要介绍分析

随着科学技术的发展进步，ECT 系统电容传感器也向着三维结构、微型化的方向发展，当前对于这方面的研究已然比较深入，其中在微型传感器的设计过程中，需要充分考虑驱动保护电极的影响，由此便使该方面的研究十分复杂，对此需要转变研究思路，COMS集成电路工艺法则有效的解决了这方面内的问题，在减小电容传感器尺寸的同时，能够保障信号的强度以及数据的采集速率。而在三维结构的研究方面，首先是由传感器来获得二维图像，之后将时间作为第三维，以此通过二维图像获得3D 图像，当前也提出了相应的三维ECT 电容传感器的基本模型，其图像如图2 所示。最后在多模态设计的过程中，主要是讲ECT 与ERT 进行有效的结合，由此来形成多模态的电容传感器。多模态电容传感器的基本结构分为分立式以及集成式两种，二者所得到的图像信息都更为完备。

2.3 电容测量以及数据采集系统的研究

电容测量以及数据采集系统主要适用于电极间微小容量及相应变化的精确测量，并将之快速的传输到计算机中进行处理。电容测量主要是实现CV 的转化，在此过程中需要测量微小电容并抑制其他的电容。对于电容充放电法的结构而言，无需滤波器进行调节。当前在进行数据采集控制模块以及通信模块方面，需要对ADC 数据进行采集，同时在数据通信方面采用新型技术进行研究，以此来确保采样的精确度。

3 ECT系统的应用实例简要分析

ECT 系统首次应用是于1991年完成的，之后很多的大型石油公司都积极的支持ECT 技术的研究发展，国外的在该方面的研究发展比较完备，近些年来ECT 应用实例更是层出不穷，最为典型的如UMIST 与GEA 制药系统公司等联合推出了ACECT 系统，该系统广泛的应用于在线测量制药流化床烘干过程中的水分分布，且与2009年获得了IET 创新奖。我国近些年来对于ECT 技术的研究也极为重视，并取得了可观的成效。清华大学所研制的微控制器可以控制多个微电容来测量通道的ECT 系统，同时还测试了小型的流化床模拟装置。浙江大学则开发出了ECT 技术的两相流可视化系统，该系统在大庆油田试验基地的两相流回路得到了较好的应用，此外，很多研究机构也对ECT 技术进行了广泛的研究，ECT 技术作为一个新兴的研究领域，在未来的发展中有着广阔的前景，我国对此仍需要更为深入的研究，向着智能化、集成化和一体化以及微型化的方向进一步研究发展。