专利名称：可产生多种形式激励的电磁层析成象激励系统及其激励方法
技术领域：
本发明是检测物质中的导磁率和导电率分布的电磁层析成象的激励系统及其激励方法。
电磁层析成象是九十年代发展起来的一种基于磁感应原理的新型成象技术，它可以同时获取被测物场空间某一截面上的导磁率(μ)和(或)导电率(σ)的分布，在检测技术中有重要的应用价值。
一个典型的电磁层析成象系统分为四个部分激励系统、检测系统、图象重建单元及图象特征参数提取单元。
其工作过程如下激励线圈中通入的交流电流在空间产生一个交变磁场，检测线圈以感应的方式得到物场空间边界处磁场的分布信息，即获得一个“投影”角度下的观测信号。通过激励线圈的结构设计和电路的控制，改变激励磁场的空间分布，可以得到多个投影角度下的观测信息。当物场空间中存在导电性和(或)导磁性物质时，磁场的分布随被测区域内导电率和导磁率分布改变，这时获得的检测信号反映了被测区域内的物体分布情况，经电路处理后，运用定性或定量的图象重建算法可重建出物场的分布状况，最后经图象特征参数提取单元获得物体分布的参数。
电磁层析成象图象重建的质量与其所能获得的独立测量数据量和敏感场分布有关。独立测量数据量等于独立激励磁场分布数与检测线圈数的积；敏感场是指当被测管道内部每个象素单元处物质的电磁特性发生改变时，测量信号变化的分布图。独立测量数据量越多，敏感场分布越均匀，越有利于图象的重建。
电磁层析成象的激励系统包括激励线圈及其相关控制电路，用于产生激励磁场，它决定了电磁层析成象系统所能得到的独立激励磁场分布数，即独立的投影角度数，并与敏感场的分布直接相关，对整个系统的性能有直接的影响。
目前存在两种电磁层析成象激励系统。
第一种叫做多电极的电磁层析成象激励系统，它包括N个绕在铁心上的线圈和一个屏蔽层，同时这N个线圈也作为检测线圈。测量时依次激励每一个线圈，并测量其它N-1个线圈以感应方式获得的信号，这种传感器结构的优点是它有较多的独立投影方向(N个)，其缺点是敏感场分布不均匀，在物场空间中心处的灵敏度很低。
第二种称为产生空间正交平行场的电磁层析成象激励系统，它的激励线圈由两组在空间相互垂直、呈正弦分布的线圈组成，可以产生不同方向的平行磁场。理论上可以证明这种平等的激励磁场是电磁层析成象系统所能提供的具有最高中心检测灵敏度的激励场，这也是该系统最为突出的优点。但它存在一个严重的缺点，只有两个独立的投影方向，影响了系统成象的质量。
本发明的目的是提供一种新型的电磁层析成象的激励系统及其激励方法，使其既能获得较多的独立测量数据，又能产生较均匀的激励场分布，提高物场中的中心灵敏度，改善电磁层析成象系统的成象质量。
本发明是以如下方式实现的。激励系统是由激励线圈、屏蔽层和控制电路组成，激励线圈由处在相对于被测区域中心的一个同心圆上均匀分布的N个相同大小的矩形导电性箔构成，称之为极板。激励线圈的外部是由高导磁不导电的材料制成的屏蔽层，用以提高系统的电磁兼容性并增强物场空间内的激励磁场强度。控制电路是由N组相同的激励电路构成，它是由交流电压计算电路，电压控制电流源和极板激励电流方向选择电路三部分组成。
电磁层析成象系统工作时，交流电压计算电路为N个电压控制电流源提供所需幅值的正弦电压，电压控制电流源将电压转换为电流，由极板激励电流方向选择电路控制各个极板上流过的电流的方向，激发不同形式的激励磁场分布。在该系统上实现的似平行场激励，既具有较多的独立投影方向，又有比较均匀的激励分布，改善了层析成象系统的成象质量。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附
图1为激励线圈(极板)截面图。
附图2为激励线圈(极板)展开图。
激励线圈是由N个相同大小的矩形导电性金属箔(极板)[1]均匀地贴装在一个具有合适半径的非导电导磁材料制成的薄圆桶外壁上。在极板的两端引出导线，以通入激励信号。为减小边缘电磁场效应，极板的高度应大于3倍的极板所处圆周的直径。[2]为屏蔽层。
控制电路是由N组相同的激励电路构成。附图3是其中一组激励电路。它是由电压计算电路、电压控制电流源和极板上激励电流方向选择电路三部分组成，如附图3所示。
电压计算电路为每个电压控制电流源提供具有一定幅值的正弦电压信号，它由数字模拟(D/A)转换器DAC1208-5乘法器AD734组成，电压的大小可由计算机控制D/A设置。
电压控制电流源将电压信号转换为电流信号，它是由运算放大器ZF411CN和6个PNP、6个NPN三极管组成，其中三极管可以选用三极管阵列TPQ6502构成。
极板上激励电流方向选择电路由模拟双向开关ADG201和D触发器T4LS175构成。
控制电路的具体构成如下数字模拟转换器[IC1]的输入端[9-16、1、2、21、22、23]与计算机的控制线相连，[IC1]的输出端[13]与运算放大器[IC2]的输入端[2]相连，运算放大器[IC2]的输出端[6]与高精度乘法器[IC3]的输入端[6]相连，[IC3]的另一输入端[1]与正弦波信号相连接，[IC3]的输出端[12]与电压控制电流源的输入端[IC4]的输入端相连接。
电压控制电流源的输出端即三极管[P3]的集电极与模拟开关[IC5]的[6、11]端相连，模拟开关[IC5]的[3、4]端接地，D触发器[IC6]输出端[2]接模拟开关[IC5]的控制端[1、9]，D触发器[IC6]的输出端[3]接模拟开关[IC5]的控制端[8、16]，D触发器[IC6]的控制端[1、4、9]端与计算机控制线相连。模拟开关[IC5]的输出端[2、7]相连并接至激励极板的一端，模拟开关[IC5]的输出端[10、15]相连并接至激励极板的另一端。通过计算机控制来改变激励极板上流过电流的方向，当控制线为“1”时，IC5B和IC5D开关闭合，极板上电流的方向为1-2；当控制线为“0”时，IC5A和IC5C开关闭合，极板上流过电流的方向为2-1。该控制电路可以为每个极板送入所需大小和方向的激励电流。通过控制每个极板上施加电流的大小和方向，可以方便地构成各种不同的激励形式，因此它被称为是可产生多种激励形式的电磁成象激励系统。
为增加独立的激励磁场数目，并产生比较均匀的激励磁场分布，可以采用似平行场激励，其激励方式是控制电路控制每个极板上流过的电流大小和方向与其所在的空间位置呈正弦关系，同时对某几个极板叠加入大小相同，方向相反的电流，构成似平场激励，这种激励方式可以认为是多电极激励与平行场激励的合成，它的独立投影方向数目与多电极激励时情况相同，并有比较均匀的激励磁场分布。
如果对于某种应用场合，被测物体的分布相对比较稳定，可以通过计算机控制每个极板上激励电流的大小和方向实现对该应用的最佳激励电流分布。或对于分布不断变化的场合，通过对测量结果的分析，不断地修改激励电流的分布，实现最佳激励方式，即实现自适应的激励方式。而本系统为这些激励方式的实现提供了硬件基础。
本发明所述的可产生多种形式激励的电磁层析成象激励系统及其激励方法，其激励线圈是由尺寸相同的矩形激励极板构成，结构简单，容易实现，通过控制电路在各个极板上施加不同幅值和方向的激励电流，可以在不改变激励系统结构的基础上，利用软件控制产生多种形式的激励磁场，在该系统上实现的似平行场激励，结合了平行场与非平行场激励的优点，可以产生较多的独立测量数据，并在物场空间中心处具有较高的灵敏度，提高了电磁层析成象系统的成象质量。
权利要求
1.一种激励线圈、屏蔽层和控制电路组成的可产生多种形式激励的电磁层析成象激励系统，其特征是激励线圈是由处在相对于被测区域中心的一个同心圆上均匀分布的N个相同大小矩形导电性箔[1]构成，称之为极板，控制电路是由N组相同的激励电路构成，它是由交流电压计算电路、电压控制电流源和极板激励电流方向选择电路三部分构成。
2.一种可产生多种形式激励的电磁层板成象激励系统的激励方法，其特征是通过控制电路控制每个极板上流过的电流大小和方向与其所在的空间位置呈正弦关系，同时对其中某几个极板叠加大小相同，方向相反的电流。
3.根据权利要求1所述的可产生多种激励的电磁层析成象激励系统，其特征是数字模拟转器[IC1]的输入端[9-16、1、2、21、22、23]与计算机的控制线相连，[IC1]的输出端[13]与运算放大器[IC2]的输入端[2]相连，运算放大器[IC2]的输出端[6]与高精度乘法器[IC3]的输入端[6]相连，[IC3]的另一端输入端[1]与正弦波信号相连接，[IC3]的输出端[12]与电压控制电流源的输入端[IC4]的输入端相连接，电压控制电流源的输出端，即三极管[P3]的集电极与模拟开关[IC5]的[6、11]端相连，模拟开关[IC5]的[3、4]端接地，D触发器[IC6]的输出端[2]接模拟开关[IC5]的控制端[1、9]，D触发器[IC6]的输出端[3]接模拟开关[IC5]的控制端[8、16]，D触发器[IC6]的控制端[1、4、9]端与计算机控制线相连，模拟开关[IC5]的输出端[2、7]相连并接至激励极板的一端，模拟开关[IC5]的输出端[10、15]相连并接至激励极板的另一端。
4.根据权利要求1和3所述的可产生多种激励的电磁层析成象激励系统，其特征是激励线圈是由N个相同大小的矩形导电性金属箔(极板)[1]均匀地贴装在一个具有合适半径的非导电导磁材料制成的薄圆桶外壁上，在极板的两端引出导线，极板的高度应大于3倍的极板所处圆周的直径。
全文摘要
本发明是检测物质中的导磁率和导电率分布的电磁层析成象的激励系统及其激励方法。本发明所述的激励系统的线圈是由N个大小相同的矩形导电性箔构成,称之为极板,及由交流电压计算电路,电压控制电流源和极板激励电流方向电路三部分构成。其激励方式为控制极板上流过的电流大小和方向与其所在的空间位置呈正弦关系,同时对某几个极板叠加入大小相同,方向相反的电流,构成似平行场激励,可产生较多的独立测量数据,提高成象质量。
文档编号G01N27/72GK1194375SQ97119780
公开日1998年9月30日 申请日期1997年11月13日 优先权日1997年11月13日
发明者徐苓安, 董琰婷, 洪艺 申请人:天津大学