專利名稱：單電極激勵(lì)模式電阻層析成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種層析成像及信號(hào)處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
電阻層析成像(ERT)技術(shù)的物理基礎(chǔ)是不同媒質(zhì)具有不同的電導(dǎo)率，判斷出敏感場(chǎng)的電導(dǎo)率分布便可知物場(chǎng)的媒質(zhì)分布。目前采用的主要工作方式為單層16電極相鄰激勵(lì)、相鄰檢測(cè)方式。其中激勵(lì)信號(hào)為正弦波交流電流信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)為相鄰電極對(duì)上的邊界電壓信號(hào)。當(dāng)物場(chǎng)內(nèi)電導(dǎo)率分布變化時(shí)，電流場(chǎng)的分布將會(huì)隨之變化，導(dǎo)致場(chǎng)內(nèi)電勢(shì)分布變化，從而場(chǎng)域邊界上的測(cè)量電壓也要發(fā)生變化。測(cè)量邊界上的電壓并通過相應(yīng)的成像算法，可以重建場(chǎng)內(nèi)電導(dǎo)率分布，實(shí)現(xiàn)可視化測(cè)量。相鄰模式在傳統(tǒng)電阻層析成像系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛，該方式已開始用于某些領(lǐng)域的在線運(yùn)行。但在電阻層析成像技術(shù)發(fā)展過程中，該方式主要暴露出3個(gè)問題①由于未檢測(cè)激勵(lì)源及鄰近的三對(duì)電極，因此得到的邊界電壓數(shù)據(jù)信息不充分。根據(jù)互易原理，單層16個(gè)電極循環(huán)檢測(cè)一周測(cè)量的有效數(shù)據(jù)為104個(gè)。②激勵(lì)電流主要流經(jīng)激勵(lì)電極附近的區(qū)域，導(dǎo)致電流分布不均勻，激勵(lì)源附近區(qū)域非常敏感，因而造成非均勻媒質(zhì)的加權(quán)系數(shù)不易給定。③檢測(cè)電極端缺少接地點(diǎn)，使檢測(cè)的數(shù)據(jù)易受干擾影響。
這些問題都直接或間接影響電阻層析成像系統(tǒng)的性能。雖然研究人員在加快數(shù)據(jù)采集速度、提高系統(tǒng)性能方面提出了很多改進(jìn)和優(yōu)化措施，如采用并行測(cè)量、改進(jìn)濾波器的濾波時(shí)間、優(yōu)化系統(tǒng)電極、改進(jìn)成像算法等，但由于其設(shè)計(jì)原理本身的局限性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集速度和精度的提升空間受到很大的限制。這是傳統(tǒng)的電阻層析成像系統(tǒng)難以解決的問題。針對(duì)這一問題，本系統(tǒng)采用了單電極激勵(lì)的工作模式，基于單電極激勵(lì)模式進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)獨(dú)立測(cè)量數(shù)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)傳統(tǒng)電阻層析成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模式存在的問題，以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和電路復(fù)雜性等問題，本發(fā)明的目的是提出了一種單電極激勵(lì)的數(shù)據(jù)采集模式，并根據(jù)此模式進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的技術(shù)方案為(參照附圖1～5)單電極激勵(lì)模式系統(tǒng)主要由電極陣列傳感器模塊1、電極選通邏輯模塊2、信號(hào)發(fā)生模塊3、信號(hào)預(yù)處理模塊4、數(shù)據(jù)采集模塊5、邏輯控制模塊6、計(jì)算機(jī)模塊7和外接電阻8組成(如圖1)。其中電極陣列傳感器模塊1由1～16層電極組成，每層放置16或32個(gè)電極(如圖2所示)。每層電極模塊具有不同的邏輯地址使能，由電極選通邏輯模塊2對(duì)每層電極模塊進(jìn)行選擇。電極選通邏輯模塊2(如圖3)可以選通單層電極模塊也可以多層電極模塊同時(shí)選通。同時(shí)電極選通邏輯模塊2對(duì)每一層電極模塊中16或32個(gè)電極的激勵(lì)、檢測(cè)和外接電阻進(jìn)行選擇。信號(hào)發(fā)生模塊3產(chǎn)生雙極性方波電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)發(fā)生模塊3中的壓控恒流源轉(zhuǎn)換成雙極性方波電流信號(hào)。由信號(hào)預(yù)處理模塊4對(duì)檢測(cè)到的外接電阻8上的電壓值進(jìn)行預(yù)處理并送至數(shù)據(jù)采集模塊5(如圖4所示)。信號(hào)預(yù)處理模塊4輸出的信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器16中，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在定時(shí)/計(jì)數(shù)器18的控制下存貯到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器17。然后由計(jì)算機(jī)7通過查詢方式將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器17中的數(shù)據(jù)讀入，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析或圖像重建，計(jì)算機(jī)7給出的控制信號(hào)通過邏輯控制模塊6送到各個(gè)模塊進(jìn)行控制。信號(hào)預(yù)處理模塊4與數(shù)據(jù)采集模塊5通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)采集模塊5與邏輯控制模塊6通過控制線進(jìn)行連接。
本發(fā)明產(chǎn)生的積極效果在于(1)采用的數(shù)據(jù)采集模式對(duì)每層16或32個(gè)電極系統(tǒng)激勵(lì)一周可以得到240或992個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，跟據(jù)互易定理獨(dú)立數(shù)據(jù)為120或496個(gè)，比目前單層16電極系統(tǒng)的104個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)增加了16個(gè)，比單層32電極系統(tǒng)的464個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)增加了32個(gè)。(2)采用的數(shù)據(jù)測(cè)量模式對(duì)于單層16電極的圓形管道，在系統(tǒng)工作時(shí)16個(gè)電極均有電流通過，其中一個(gè)電極通過的是激勵(lì)電流，其余通過的為檢測(cè)電流，所有檢測(cè)電流之和等于激勵(lì)電流。由于每個(gè)電極都有電流通過，這就使檢測(cè)到的電流變得均勻，且對(duì)敏感場(chǎng)的靈敏度分布有所改善。(3)本發(fā)明的激勵(lì)方式為單電極，其余為檢測(cè)電極，因此檢測(cè)到的電極范圍變大，不存在激勵(lì)電極鄰近的電極不被檢測(cè)的現(xiàn)象。(4)單電極激勵(lì)系統(tǒng)采用雙極性方波電流激勵(lì)信號(hào)設(shè)計(jì)，檢測(cè)到的信號(hào)也為雙極性方波信號(hào)。雙極性方波信號(hào)解決了電極極化的問題，同時(shí)在方波的每半個(gè)周期內(nèi)，相當(dāng)于一個(gè)直流信號(hào)，這樣易于處理。因此系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)得到了簡化，同時(shí)直流信號(hào)不需要解調(diào)和低通濾波環(huán)節(jié)，大大的提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。


附圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
附圖2為電極模塊結(jié)構(gòu)圖。
附圖3電極選通邏輯模塊結(jié)構(gòu)圖。
附圖4數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖。
附圖5邏輯控制模塊結(jié)構(gòu)圖。
附圖6為單電極激勵(lì)模式空?qǐng)鰯?shù)據(jù)。
附圖7為氣泡位于不同位置的比較數(shù)據(jù)。
附圖8為氣泡位于物場(chǎng)中間的測(cè)量數(shù)據(jù)。
其中1-傳感器模塊；2-電極選通邏輯模塊；3-信號(hào)發(fā)生模塊；4-信號(hào)預(yù)處理模塊；5-數(shù)據(jù)采集模塊；6-邏輯控制模塊；7-計(jì)算機(jī)；8-外接電阻；9-鎖存器；10-譯碼器；11-A/D轉(zhuǎn)換器；12-數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；13-定時(shí)/計(jì)數(shù)器。
具體實(shí)施例方式
以下通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
按附圖1將各組件通過數(shù)據(jù)線、地址線、控制線等連接構(gòu)成了單電極激勵(lì)的電阻層析成像系統(tǒng)。本實(shí)施方案中只用到了2層電極模塊，每層16個(gè)電極，外接電阻8設(shè)定為80Ω，激勵(lì)電流設(shè)定為10mA。方波信號(hào)發(fā)生器由一片MAX系列的信號(hào)發(fā)生芯片組成；信號(hào)發(fā)生模塊3中壓控恒流源由兩片儀表放大器組成；過零檢測(cè)由一片運(yùn)算放大器組成；電極選通邏輯模塊由五片8進(jìn)8出鎖存器、一片8選1、四片16選1和二片16選15譯碼器組成；信號(hào)預(yù)處理模塊由兩片PGA放大器組成；數(shù)據(jù)采集模塊由一片A/D轉(zhuǎn)換器、一片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、一片定時(shí)/計(jì)數(shù)器組成。邏輯控制模塊由2片8進(jìn)8出鎖存器和一片16選1譯碼器組成。
首先計(jì)算機(jī)7通過地址線選擇雙極性方波信號(hào)發(fā)生器的幅值和頻率，產(chǎn)生雙極性方波電壓信號(hào)，電壓信號(hào)一路通過壓控恒流源轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性方波電流信號(hào)，另一路經(jīng)過運(yùn)算放大器通過數(shù)據(jù)線送給計(jì)算機(jī)做同步信號(hào)。電極選通邏輯模塊由計(jì)算機(jī)發(fā)出地址信號(hào)對(duì)激勵(lì)、檢測(cè)、外接電阻的導(dǎo)通進(jìn)行選擇。檢測(cè)到的信號(hào)通過數(shù)據(jù)線送到信號(hào)預(yù)處理模塊，由計(jì)算機(jī)通過地址線對(duì)信號(hào)預(yù)處理模塊的放大倍數(shù)進(jìn)行選擇，預(yù)處理后的信號(hào)通過數(shù)據(jù)線送到數(shù)據(jù)采集模塊，由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在定時(shí)/計(jì)數(shù)器的控制下存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，最后傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行成像或數(shù)據(jù)的分析和處理。邏輯控制模塊由計(jì)算機(jī)通過地址線對(duì)芯片的邏輯使能進(jìn)行控制。。
以下從空?qǐng)鰧?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有氣泡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩種情況進(jìn)行驗(yàn)證。
實(shí)驗(yàn)例1、利用本發(fā)明對(duì)空?qǐng)鰧?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析場(chǎng)內(nèi)介質(zhì)電導(dǎo)率為9.865ms/cm。圖6為單電極激勵(lì)模式系統(tǒng)所采集到的空?qǐng)鰯?shù)據(jù)，該組數(shù)據(jù)的特點(diǎn)在于首先從圖上可以看出，數(shù)據(jù)采集受到的干擾很小，數(shù)據(jù)分布對(duì)稱性好，說明方波激勵(lì)信號(hào)在單電極激勵(lì)系統(tǒng)中能夠得到了很好的應(yīng)用；其次是此組數(shù)據(jù)的最大差值不超過2.5倍，且數(shù)據(jù)均不接近于零，這就說明單電極激勵(lì)模式采集到的數(shù)據(jù)均勻性很好。因此從空?qǐng)鰯?shù)據(jù)上可以肯定，基于單電極激勵(lì)模式的電阻層析成像系統(tǒng)的性能可靠。
實(shí)驗(yàn)例2、氣泡靠近電極與位于管道中心的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較以15mm的氣泡位于管道靠近各個(gè)電極的實(shí)驗(yàn)為例，當(dāng)氣泡分別靠近各個(gè)電極時(shí)，所得比較數(shù)據(jù)如圖7所示。由于單電極激勵(lì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對(duì)稱性，這里只給出了氣泡位于1～7電極處的數(shù)據(jù)分布，從圖中很顯然可以看出氣泡的位置信息。氣泡緊貼電極時(shí)，由于其對(duì)敏感場(chǎng)的分布影響不均勻，所以得到的數(shù)據(jù)可以清楚的說明問題；而當(dāng)氣泡位于管道中心時(shí)，如圖8為氣泡直徑不同時(shí)位于物場(chǎng)中心所得的測(cè)量數(shù)據(jù)，1組數(shù)據(jù)為空?qǐng)鰯?shù)據(jù)，2～5組數(shù)據(jù)氣泡依次增大。由于氣泡對(duì)敏感場(chǎng)分布的影響均勻或接近均勻，當(dāng)場(chǎng)恒定時(shí)，氣泡不同，采集到的數(shù)據(jù)的分布是相同的，唯一區(qū)別在于各組數(shù)據(jù)的幅值不同。這點(diǎn)可以說明，單電極激勵(lì)模式下敏感場(chǎng)中心的靈敏度不如邊界的靈敏度高，這也是電阻層析成像技術(shù)各種激勵(lì)模式的通病。
以上實(shí)驗(yàn)說明單電極激勵(lì)模式可以在電阻層析成像系統(tǒng)中得以應(yīng)用，所設(shè)計(jì)的單電極激勵(lì)系統(tǒng)的靜態(tài)性能通過這些實(shí)驗(yàn)也得到了驗(yàn)證，通過這些實(shí)驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證了方波激勵(lì)信號(hào)在單電極激勵(lì)系統(tǒng)中應(yīng)用的準(zhǔn)確性和可靠性。
權(quán)利要求
1.單電極激勵(lì)的電阻層析成像系統(tǒng)，主要由電極陣列傳感器模塊(1)、電極選通邏輯模塊(2)、信號(hào)發(fā)生模塊(3)、信號(hào)預(yù)處理模塊(4)、數(shù)據(jù)采集模塊(5)、邏輯控制模塊(6)、計(jì)算機(jī)模塊(7)和外接電阻(8)組成，其特征是電極陣列傳感器模塊(1)由1～16層電極組成，每層放置16或32個(gè)電極，每層電極模塊具有不同的邏輯地址，由電極選通邏輯模塊(2)對(duì)每層電極模塊進(jìn)行選擇；同時(shí)所述電極選通邏輯模塊(2)對(duì)每一層電極模塊中16或32個(gè)電極的激勵(lì)、檢測(cè)和外接電阻進(jìn)行選擇；信號(hào)發(fā)生模塊(3)產(chǎn)生雙極性方波電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)發(fā)生模塊(3)中的壓控恒流源轉(zhuǎn)換成雙極性方波電流信號(hào)；由信號(hào)預(yù)處理模塊(4)對(duì)外接電阻(8)的電壓值進(jìn)行預(yù)處理送至數(shù)據(jù)采集模塊(5)，由計(jì)算機(jī)模塊(7)通過查詢方式將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或圖像重建。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種層析成像及信號(hào)處理技術(shù)。單電極激勵(lì)模式電阻層析成像系統(tǒng)主要由電極陣列傳感器、電極選通邏輯、信號(hào)發(fā)生、信號(hào)預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、計(jì)算機(jī)等模塊組成。電極陣列傳感器模塊由1～16層電極組成，每層放置16或32個(gè)電極，每層電極模塊具有不同的邏輯地址使能，由電極選通邏輯模塊對(duì)每層電極模塊進(jìn)行選擇，同時(shí)對(duì)每一層電極模塊中16或32個(gè)電極的激勵(lì)、檢測(cè)和外接電阻進(jìn)行選擇。信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生雙極性方波電壓信號(hào)，經(jīng)過壓控恒流源轉(zhuǎn)換成雙極性方波電流信號(hào)。信號(hào)預(yù)處理模塊對(duì)檢測(cè)到的外接電阻上的電壓值進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的信號(hào)送到數(shù)據(jù)采集模塊中，最后由計(jì)算機(jī)模塊通過查詢方式將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或圖像重建。
文檔編號(hào)G01N27/04GK1766597SQ200510016130
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者董峰, 賈秀權(quán), 劉軍文 申請(qǐng)人:天津大學(xué)