本發(fā)明涉及檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器及評價方法。

背景技術(shù)：

電容層析成像(electricalcapacitancetomography，ect)技術(shù)作為一種過程層析成像技術(shù)，由于具有非侵入、無輻射、響應(yīng)速度快和安全性良好等優(yōu)點，受到了廣泛關(guān)注并得到了較大且較快的發(fā)展。ect系統(tǒng)是通過放置在被測對象外部的傳感器陣列測量被測場域內(nèi)的電容值，從而獲得被測場域截面上的介質(zhì)分布，最后利用圖像重建的相關(guān)程序重現(xiàn)各相介質(zhì)分布的圖像。通常的ect系統(tǒng)由三個基本部分組成：ect傳感器、數(shù)據(jù)采集控制單元和圖像重建計算機。其中ect傳感器是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的入口，因此電容傳感器設(shè)計是影響系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵部分。目前，公知的ect多用于傳感器截面為圓形或規(guī)則對稱方形結(jié)構(gòu)，其設(shè)計已相對成熟。然而，針對非規(guī)則幾何截面的ect傳感器應(yīng)用還沒有見到。

在ect中，敏感場具有“軟場”效應(yīng)，即敏感場中各處靈敏度分布不均勻且存在正、負(fù)敏感區(qū)，靠近傳感器陣列場域的靈敏度比場域中心的靈敏度高出很多。靈敏度是為了方便描述ect被測場域內(nèi)介質(zhì)分布與電容測量值之間的關(guān)系而引出的概念，其本質(zhì)上是被測場域內(nèi)剖分單元的相對介電常數(shù)由低變高時引起的電容值的相對變化。ect傳感器是ect系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，它直接影響敏感場靈敏度分布、電容值測量精度而影響圖像重建的質(zhì)量。已見報道的ect傳感器評價和優(yōu)化中，普遍以單一的敏感場均勻性作為評價指標(biāo)，且都是對敏感場做等網(wǎng)格均勻剖分進行靈敏度分布計算。然而，采用這種方法對不規(guī)則幾何形狀的測量對象進行敏感場剖分是無法實現(xiàn)的。而且ect中心場域的靈敏度很低甚至為負(fù)值，在曲率變化較大的邊界場域的靈敏度變化也很劇烈，以單一的敏感場均勻性作為ect傳感器評價指標(biāo)是不合適的。因而，為了達到對非規(guī)則幾何形狀對象進行測量的應(yīng)用要求，需要設(shè)計新的ect電容傳感器和采用新的評價方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，提出一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器及評價方法，以滿足對不規(guī)則幾何形狀對象的測量需求。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器，由測量電極、屏蔽電極和外屏蔽層組成，所述測量電極在實際測量中也作為激勵電極，緊貼于非規(guī)則幾何形狀被測對象的絕緣外壁上；所述屏蔽電極均勻置于相鄰測量電極之間，處于接地狀態(tài)；所述外屏蔽層設(shè)于被測對象外壁的外部，與屏蔽電極相連。

進一步的，本發(fā)明的一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器，所述測量電極數(shù)目為n，n是大于2的自然數(shù)，測量電極個數(shù)根據(jù)實際被測對象的形狀確定。

進一步的，本發(fā)明的一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器，所述測量電極的張角為 θ，張角θ由測量電極個數(shù)n和被測對象橫截面的參考標(biāo)準(zhǔn)圓決定。

進一步的，本發(fā)明的一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器，所述被測對象橫截面的參考標(biāo)準(zhǔn)圓指的是與被測對象橫截面上弦長最大的兩點外切的，同時半徑最小的外接圓。

進一步的，本發(fā)明的一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器，所述測量電極的軸向長度為l，其與屏蔽電極和外屏蔽層的軸向長度相同。

進一步的，本發(fā)明的一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器，所述測量電極的安放位置由被測對象橫截面的參考標(biāo)準(zhǔn)圓的0度起始點決定，為了使測量電極的截面形狀更加規(guī)則以及傳感器電極的放置更加方便，參考標(biāo)準(zhǔn)圓的0度起始點可適當(dāng)做旋轉(zhuǎn)調(diào)整。

進一步的，本發(fā)明的一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器，所述屏蔽電極均勻置于相鄰測量電極之間，指的是屏蔽電極與兩側(cè)測量電極相對于參考標(biāo)準(zhǔn)圓的圓心角相同，其徑向安裝方向指向參考標(biāo)準(zhǔn)圓圓心。

進一步的，本發(fā)明的一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器，所述外屏蔽層的截面呈圓形，其圓心與被測對象橫截面的參考標(biāo)準(zhǔn)圓的圓心重合，半徑為r。

本發(fā)明還提供一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器評價方法，包括如下步驟：

步驟一，根據(jù)實際非規(guī)則幾何形狀被測對象所在截面的形狀，對場域進行非均等化網(wǎng)格剖分，所述非均等化網(wǎng)格剖分為在截面中心場域進行粗化剖分，而在邊界場域特別是曲率變化大的邊界場域進行細(xì)化剖分，以提高中心場域的靈敏度和均勻邊界場域的靈敏度。

步驟二，對于非規(guī)則幾何形狀被測對象上放置的有n個測量電極的ect傳感器，將n個測量電極從參考標(biāo)準(zhǔn)圓的0度起始點開始按逆時針標(biāo)號為第n個測量電極(1≤n≤n)?；?個激勵電極與1個測量電極的激勵模式，從參考標(biāo)準(zhǔn)圓的0度起始點開始，按逆時針依次使1個測量電極處于激勵狀態(tài)，其余n-1個測量電極分別進行測量，測量得到n*(n-1)/2個有效電容值，根據(jù)步驟一的剖分網(wǎng)格，從而計算敏感場的靈敏度分布，如sij為電極對i-j之間的靈敏度分布。靈敏度的計算方法為：

其中，sij(e)為靈敏度分布sij(i≠j)在第e個剖分單元上的靈敏度；表示第e個剖分單元的相對介電常數(shù)為高介電常數(shù)εb，而其余剖分單元中的介電常數(shù)都為低介電常數(shù)εa時，測量電極對i-j之間的電容值；表示截面場域內(nèi)充滿相對介電常數(shù)為高介電常數(shù)εb時測量電極對i-j之間的電容值；表示截面場域內(nèi)充滿相對介電常數(shù)為低介電常數(shù)εa時測量電極對i-j之間的電容值；μ(e)表示第e個剖分單元的面積修正因子。

步驟三，根據(jù)步驟二計算得到的靈敏度分布，以負(fù)靈敏度區(qū)域比例pnreg和靈敏度極差rs為優(yōu)化目標(biāo)，所述負(fù)靈敏度區(qū)域比例pnreg是指將n*(n-1)/2個靈敏度分布在每個剖分單元上進行疊加計算，從而得到每個剖分單元在不同激勵電極和測量電極下的總體靈敏度，最后統(tǒng)計出總體靈敏度為負(fù)值的剖分單元所占全部剖分單元的比例，公式表示為：

其中，s(e)表示第e個剖分單元在不同激勵電極和測量電極下的總體靈敏度；nnreg表示總體靈敏度為負(fù)值的剖分單元個數(shù)，nreg為總剖分單元個數(shù)；

所述靈敏度極差rs，指的是基于對每個剖分單元進行疊加計算而得到的總體靈敏度，把最大總體靈敏度與最小總體靈敏度作差，公式表示為：

rs＝maxall_s-minall_s(4)

其中，maxall_s為剖分單元中最大的總體靈敏度，minall_s為剖分單元中最小的總體靈敏度；

依據(jù)優(yōu)化目標(biāo)負(fù)靈敏度區(qū)域比例pnreg和靈敏度極差rs，評價所設(shè)計的ect傳感器的性能，pnreg和rs越小表示ect傳感器的性能越好。

進一步的，本發(fā)明的一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器評價方法，所述步驟二計算靈敏度分布，被測對象為非規(guī)則幾何形狀，不存在對稱的靈敏度分布，因此計算得到n*(n-1)/2個靈敏度分布；假設(shè)截面場域被剖分為nreg個剖分單元，則每個靈敏度分布sij由nreg個剖分單元的靈敏度組成。

進一步的，本發(fā)明的一種非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器評價方法，所述步驟三中以負(fù)靈敏度區(qū)域所占比例pnreg和靈敏度極差rs為優(yōu)化目標(biāo)，對于每一種結(jié)構(gòu)下的ect傳感器均計算得到對應(yīng)的pnreg和rs，所述的ect傳感器結(jié)構(gòu)由參數(shù)n，θ，l，r組成，即pnreg和rs優(yōu)化目標(biāo)由ect傳感器參數(shù)影響決定。因此，pnreg和rs處于最優(yōu)化時，得到的參數(shù)n，θ，l，r組合為性能最優(yōu)的ect傳感器。公式表示為：

其中，opt(n，θ，l，r)表示由最優(yōu)化參數(shù)n，θ，l，r構(gòu)成的ect傳感器的最優(yōu)化評價目標(biāo)，minpnreg為評價目標(biāo)負(fù)靈敏度區(qū)域比例的最優(yōu)值，minrs為評價目標(biāo)靈敏度極差的最優(yōu)值，f，g分別表示評價目標(biāo)pnreg、rs和ect傳感器結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

本發(fā)明的效果是，可以滿足ect對不規(guī)則幾何形狀的對象進行實際測量的要求，并且提出了新的ect傳感器評價方法對傳感器的性能進行評估，從而拓寬了ect技術(shù)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的a-a剖視圖；

圖3是圖1沿a-a處的場域剖分圖；

圖中：

1、非規(guī)則幾何形狀被測對象2、測量電極(激勵電極)3、屏蔽電極

4、外屏蔽層5、參考標(biāo)準(zhǔn)圓6、0度起始點7、剖分單元

具體實施方式

結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器及評價方法加以說明。

圖1是本發(fā)明實施例非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，該傳感器包括有測量電極2、屏蔽電極3、外屏蔽層4、非規(guī)則幾何形狀被測對象1；所述測量電極2在實際測量中也作為激勵電極2，緊貼于非規(guī)則幾何形狀被測對象1的絕緣外壁上；所述屏蔽電極3均勻置于相鄰測量電極2之間，處于接地狀態(tài)；所述外屏蔽層4設(shè)于非規(guī)則幾何形狀被測對象1外壁的外部，與屏蔽電極3相連，接地保持零電勢，從而消除靜電干擾的影響；所述測量電極2、屏蔽電極3、外屏蔽層4在軸向的長度l相同，本發(fā)明實施例中軸向長度l為65mm。

圖2為圖1中a處的橫截剖面視圖。所述的非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器的主體包括有8個測量電極2、8個屏蔽電極3及外屏蔽層4。根據(jù)測量電極2相對于非規(guī)則幾何形狀被測對象1所在截面的參考標(biāo)準(zhǔn)圓5的張角θ，確定測量電極2的形狀和安裝位置，可適當(dāng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整參考標(biāo)準(zhǔn)圓5的0度起始點6，以使測量電極2的截面形狀更加規(guī)則以及安裝更加方便。屏蔽電極3的徑向安裝方向指向參考標(biāo)準(zhǔn)圓5圓心，其外側(cè)是外屏蔽層4。本發(fā)明實施例中參考標(biāo)準(zhǔn)圓5的半徑為40mm，測量電極2的張角θ＝31°，外屏蔽層4的半徑r＝47mm。

本發(fā)明的非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器的評價方法是這樣實現(xiàn)的，該方法包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)實際非規(guī)則幾何形狀被測對象1的截面形狀進行非均等化網(wǎng)格剖分，所述非均等化網(wǎng)格剖分為在截面中心場域進行粗化剖分，而在邊界場域特別是曲率變化大的場域進行細(xì)化剖分，以提高中心區(qū)域的靈敏度和均勻邊界區(qū)域的靈敏度。如圖3所示為本發(fā)明實施例8電極ect傳感器沿a-a處的場域剖分圖，剖分單元7個數(shù)nreg＝395，為了顯示敏感場域的剖分結(jié)構(gòu)，沒有畫出測量電極2、屏蔽電極3和外屏蔽層4。

步驟二：對于非規(guī)則幾何形狀被測對象1截面上放置有n個測量電極2的ect傳感器，將n個測量電極2從參考標(biāo)準(zhǔn)圓5的0度起始點6開始按逆時針標(biāo)號為第n個測量電極2(1≤n≤n)?；?個激勵電極2與1個測量電極2的激勵模式，測量得到n*(n-1)/2個有效電容值，根據(jù)步驟一的剖分網(wǎng)格，從而計算敏感場域的靈敏度分布。在本發(fā)明實施例中，將ect傳感器的8個測量電極2從參考標(biāo)準(zhǔn)圓5的0度起始點6開始按逆時針標(biāo)號為1～8號，采用1個激勵電極2與1個測量電極2的激勵模式，可測得c12，c13，......，c78共28個獨 立電容值。其中，c12表示1-2號測量電極2對之間的電容值。根據(jù)本發(fā)明實施例圖3，敏感場域被剖分為395個剖分單元7，所以每個靈敏度分布由395個靈敏度組成，如sij(1)，sij(2)，......，sij(395)分別表示靈敏度分布sij的395個靈敏度。共計算得到28個靈敏度分布sij。用水作為高介電常數(shù)相，空氣作為低介電常數(shù)相，以s12(1)為例，其計算方法表示為：

其中，s12(1)為靈敏度分布s12的第1個剖分單元7的靈敏度；為第1個剖分單元7的相對介電常數(shù)為水的介電常數(shù)80，而其余剖分單元7中的介電常數(shù)都為空氣的介電常數(shù)1時，測量電極2對1-2之間的電容值；表示截面場域內(nèi)充滿相對介電常數(shù)為80的水時測量電極2對1-2之間的電容值；表示截面場域內(nèi)充滿相對介電常數(shù)為1的空氣時測量電極2對1-2之間的電容值；μ(1)表示第1個剖分單元7的面積修正因子，取值0.5。

步驟三：根據(jù)步驟二計算得到的28個靈敏度分布sij，以負(fù)靈敏度區(qū)域比例pnreg和靈敏度極差rs為優(yōu)化目標(biāo)，評價所設(shè)計的ect傳感器的性能，pnreg和rs越小表示ect傳感器的性能越好。具體計算步驟為：

(1)計算每個剖分單元7的總體靈敏度：

其中，s(e)表示第e剖分單元7在不同激勵電極2和測量電極2下的總體靈敏度，n＝8；

(2)在當(dāng)前的參數(shù)n，θ，l，r下構(gòu)成的ect傳感器，計算其負(fù)靈敏度區(qū)域比例pnreg和靈敏度極差rs：

rs＝maxall_s-minall_s(4)

其中，nnreg表示總體靈敏度為負(fù)值的剖分單元7個數(shù)，nreg為總剖分單元7個數(shù)；maxall_s為剖分單元7中最大的總體靈敏度，minall_s為剖分單元7中最小的總體靈敏度。

(3)對于每一種由參數(shù)n，θ，l，r構(gòu)成的ect傳感器，均能夠計算其對應(yīng)的pnreg和rs，因此可得到ect傳感器參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系，從而確定使得優(yōu)化目標(biāo)處于最優(yōu)化時的ect傳感器參數(shù)n，θ，l，r組合，即確定非規(guī)則幾何形狀被測對象1性能最優(yōu)的ect傳感器。用公式表示為：

其中，opt(n，θ，l，r)表示由最優(yōu)化參數(shù)n，θ，l，r構(gòu)成的ect傳感器的最優(yōu)化評價目標(biāo)， minpnreg為評價目標(biāo)負(fù)靈敏度區(qū)域比例的最優(yōu)值，minrs為評價目標(biāo)靈敏度極差的最優(yōu)值，f，g分別表示評價目標(biāo)pnreg、rs和ect傳感器結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

本實施例中，包括測量電極2及屏蔽電極3各8個，但亦可采用其他電極數(shù)目，如4、5、6、7、9、10等數(shù)目，根據(jù)實際非規(guī)則幾何形狀被測對象1的形狀確定。

本實施例中，ect傳感器橫截面為非規(guī)則橢圓形，但本發(fā)明的非規(guī)則幾何形狀電容層析成像傳感器及評價方法亦適用于非規(guī)則多邊形或其他非規(guī)則形狀。

本發(fā)明上述實施例僅用來對本發(fā)明進行示意性描述，并不局限于此，附圖中所示只有是本發(fā)明的實施方式之一，凡在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)，所做的等效變化或替代，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。