一种非规则几何形状电容层析成像传感器及评价方法与流程

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种非规则几何形状电容层析成像传感器及评价方法。

背景技术：

电容层析成像(electricalcapacitancetomography，ect)技术作为一种过程层析成像技术，由于具有非侵入、无辐射、响应速度快和安全性良好等优点，受到了广泛关注并得到了较大且较快的发展。ect系统是通过放置在被测对象外部的传感器阵列测量被测场域内的电容值，从而获得被测场域截面上的介质分布，最后利用图像重建的相关程序重现各相介质分布的图像。通常的ect系统由三个基本部分组成：ect传感器、数据采集控制单元和图像重建计算机。其中ect传感器是系统数据采集的入口，因此电容传感器设计是影响系统整体性能的关键部分。目前，公知的ect多用于传感器截面为圆形或规则对称方形结构，其设计已相对成熟。然而，针对非规则几何截面的ect传感器应用还没有见到。

在ect中，敏感场具有“软场”效应，即敏感场中各处灵敏度分布不均匀且存在正、负敏感区，靠近传感器阵列场域的灵敏度比场域中心的灵敏度高出很多。灵敏度是为了方便描述ect被测场域内介质分布与电容测量值之间的关系而引出的概念，其本质上是被测场域内剖分单元的相对介电常数由低变高时引起的电容值的相对变化。ect传感器是ect系统中的关键组成部分，它直接影响敏感场灵敏度分布、电容值测量精度而影响图像重建的质量。已见报道的ect传感器评价和优化中，普遍以单一的敏感场均匀性作为评价指标，且都是对敏感场做等网格均匀剖分进行灵敏度分布计算。然而，采用这种方法对不规则几何形状的测量对象进行敏感场剖分是无法实现的。而且ect中心场域的灵敏度很低甚至为负值，在曲率变化较大的边界场域的灵敏度变化也很剧烈，以单一的敏感场均匀性作为ect传感器评价指标是不合适的。因而，为了达到对非规则几何形状对象进行测量的应用要求，需要设计新的ect电容传感器和采用新的评价方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的缺陷和不足，提出一种非规则几何形状电容层析成像传感器及评价方法，以满足对不规则几何形状对象的测量需求。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种非规则几何形状电容层析成像传感器，由测量电极、屏蔽电极和外屏蔽层组成，所述测量电极在实际测量中也作为激励电极，紧贴于非规则几何形状被测对象的绝缘外壁上；所述屏蔽电极均匀置于相邻测量电极之间，处于接地状态；所述外屏蔽层设于被测对象外壁的外部，与屏蔽电极相连。

进一步的，本发明的一种非规则几何形状电容层析成像传感器，所述测量电极数目为n，n是大于2的自然数，测量电极个数根据实际被测对象的形状确定。

进一步的，本发明的一种非规则几何形状电容层析成像传感器，所述测量电极的张角为 θ，张角θ由测量电极个数n和被测对象横截面的参考标准圆决定。

进一步的，本发明的一种非规则几何形状电容层析成像传感器，所述被测对象横截面的参考标准圆指的是与被测对象横截面上弦长最大的两点外切的，同时半径最小的外接圆。

进一步的，本发明的一种非规则几何形状电容层析成像传感器，所述测量电极的轴向长度为l，其与屏蔽电极和外屏蔽层的轴向长度相同。

进一步的，本发明的一种非规则几何形状电容层析成像传感器，所述测量电极的安放位置由被测对象横截面的参考标准圆的0度起始点决定，为了使测量电极的截面形状更加规则以及传感器电极的放置更加方便，参考标准圆的0度起始点可适当做旋转调整。

进一步的，本发明的一种非规则几何形状电容层析成像传感器，所述屏蔽电极均匀置于相邻测量电极之间，指的是屏蔽电极与两侧测量电极相对于参考标准圆的圆心角相同，其径向安装方向指向参考标准圆圆心。

进一步的，本发明的一种非规则几何形状电容层析成像传感器，所述外屏蔽层的截面呈圆形，其圆心与被测对象横截面的参考标准圆的圆心重合，半径为r。

本发明还提供一种非规则几何形状电容层析成像传感器评价方法，包括如下步骤：

步骤一，根据实际非规则几何形状被测对象所在截面的形状，对场域进行非均等化网格剖分，所述非均等化网格剖分为在截面中心场域进行粗化剖分，而在边界场域特别是曲率变化大的边界场域进行细化剖分，以提高中心场域的灵敏度和均匀边界场域的灵敏度。

步骤二，对于非规则几何形状被测对象上放置的有n个测量电极的ect传感器，将n个测量电极从参考标准圆的0度起始点开始按逆时针标号为第n个测量电极(1≤n≤n)。基于1个激励电极与1个测量电极的激励模式，从参考标准圆的0度起始点开始，按逆时针依次使1个测量电极处于激励状态，其余n-1个测量电极分别进行测量，测量得到n*(n-1)/2个有效电容值，根据步骤一的剖分网格，从而计算敏感场的灵敏度分布，如sij为电极对i-j之间的灵敏度分布。灵敏度的计算方法为：

其中，sij(e)为灵敏度分布sij(i≠j)在第e个剖分单元上的灵敏度；表示第e个剖分单元的相对介电常数为高介电常数εb，而其余剖分单元中的介电常数都为低介电常数εa时，测量电极对i-j之间的电容值；表示截面场域内充满相对介电常数为高介电常数εb时测量电极对i-j之间的电容值；表示截面场域内充满相对介电常数为低介电常数εa时测量电极对i-j之间的电容值；μ(e)表示第e个剖分单元的面积修正因子。

步骤三，根据步骤二计算得到的灵敏度分布，以负灵敏度区域比例pnreg和灵敏度极差rs为优化目标，所述负灵敏度区域比例pnreg是指将n*(n-1)/2个灵敏度分布在每个剖分单元上进行叠加计算，从而得到每个剖分单元在不同激励电极和测量电极下的总体灵敏度，最后统计出总体灵敏度为负值的剖分单元所占全部剖分单元的比例，公式表示为：

其中，s(e)表示第e个剖分单元在不同激励电极和测量电极下的总体灵敏度；nnreg表示总体灵敏度为负值的剖分单元个数，nreg为总剖分单元个数；

所述灵敏度极差rs，指的是基于对每个剖分单元进行叠加计算而得到的总体灵敏度，把最大总体灵敏度与最小总体灵敏度作差，公式表示为：

rs＝maxall_s-minall_s(4)

其中，maxall_s为剖分单元中最大的总体灵敏度，minall_s为剖分单元中最小的总体灵敏度；

依据优化目标负灵敏度区域比例pnreg和灵敏度极差rs，评价所设计的ect传感器的性能，pnreg和rs越小表示ect传感器的性能越好。

进一步的，本发明的一种非规则几何形状电容层析成像传感器评价方法，所述步骤二计算灵敏度分布，被测对象为非规则几何形状，不存在对称的灵敏度分布，因此计算得到n*(n-1)/2个灵敏度分布；假设截面场域被剖分为nreg个剖分单元，则每个灵敏度分布sij由nreg个剖分单元的灵敏度组成。

进一步的，本发明的一种非规则几何形状电容层析成像传感器评价方法，所述步骤三中以负灵敏度区域所占比例pnreg和灵敏度极差rs为优化目标，对于每一种结构下的ect传感器均计算得到对应的pnreg和rs，所述的ect传感器结构由参数n，θ，l，r组成，即pnreg和rs优化目标由ect传感器参数影响决定。因此，pnreg和rs处于最优化时，得到的参数n，θ，l，r组合为性能最优的ect传感器。公式表示为：

其中，opt(n，θ，l，r)表示由最优化参数n，θ，l，r构成的ect传感器的最优化评价目标，minpnreg为评价目标负灵敏度区域比例的最优值，minrs为评价目标灵敏度极差的最优值，f，g分别表示评价目标pnreg、rs和ect传感器结构之间的关系。

本发明的效果是，可以满足ect对不规则几何形状的对象进行实际测量的要求，并且提出了新的ect传感器评价方法对传感器的性能进行评估，从而拓宽了ect技术的应用范围和领域。

附图说明

图1是本发明实施例非规则几何形状电容层析成像传感器的立体结构示意图；

图2是图1的a-a剖视图；

图3是图1沿a-a处的场域剖分图；

图中：

1、非规则几何形状被测对象2、测量电极(激励电极)3、屏蔽电极

4、外屏蔽层5、参考标准圆6、0度起始点7、剖分单元

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的非规则几何形状电容层析成像传感器及评价方法加以说明。

图1是本发明实施例非规则几何形状电容层析成像传感器的立体结构示意图。图1中，该传感器包括有测量电极2、屏蔽电极3、外屏蔽层4、非规则几何形状被测对象1；所述测量电极2在实际测量中也作为激励电极2，紧贴于非规则几何形状被测对象1的绝缘外壁上；所述屏蔽电极3均匀置于相邻测量电极2之间，处于接地状态；所述外屏蔽层4设于非规则几何形状被测对象1外壁的外部，与屏蔽电极3相连，接地保持零电势，从而消除静电干扰的影响；所述测量电极2、屏蔽电极3、外屏蔽层4在轴向的长度l相同，本发明实施例中轴向长度l为65mm。

图2为图1中a处的横截剖面视图。所述的非规则几何形状电容层析成像传感器的主体包括有8个测量电极2、8个屏蔽电极3及外屏蔽层4。根据测量电极2相对于非规则几何形状被测对象1所在截面的参考标准圆5的张角θ，确定测量电极2的形状和安装位置，可适当旋转调整参考标准圆5的0度起始点6，以使测量电极2的截面形状更加规则以及安装更加方便。屏蔽电极3的径向安装方向指向参考标准圆5圆心，其外侧是外屏蔽层4。本发明实施例中参考标准圆5的半径为40mm，测量电极2的张角θ＝31°，外屏蔽层4的半径r＝47mm。

本发明的非规则几何形状电容层析成像传感器的评价方法是这样实现的，该方法包括以下步骤：

步骤一：根据实际非规则几何形状被测对象1的截面形状进行非均等化网格剖分，所述非均等化网格剖分为在截面中心场域进行粗化剖分，而在边界场域特别是曲率变化大的场域进行细化剖分，以提高中心区域的灵敏度和均匀边界区域的灵敏度。如图3所示为本发明实施例8电极ect传感器沿a-a处的场域剖分图，剖分单元7个数nreg＝395，为了显示敏感场域的剖分结构，没有画出测量电极2、屏蔽电极3和外屏蔽层4。

步骤二：对于非规则几何形状被测对象1截面上放置有n个测量电极2的ect传感器，将n个测量电极2从参考标准圆5的0度起始点6开始按逆时针标号为第n个测量电极2(1≤n≤n)。基于1个激励电极2与1个测量电极2的激励模式，测量得到n*(n-1)/2个有效电容值，根据步骤一的剖分网格，从而计算敏感场域的灵敏度分布。在本发明实施例中，将ect传感器的8个测量电极2从参考标准圆5的0度起始点6开始按逆时针标号为1～8号，采用1个激励电极2与1个测量电极2的激励模式，可测得c12，c13，......，c78共28个独 立电容值。其中，c12表示1-2号测量电极2对之间的电容值。根据本发明实施例图3，敏感场域被剖分为395个剖分单元7，所以每个灵敏度分布由395个灵敏度组成，如sij(1)，sij(2)，......，sij(395)分别表示灵敏度分布sij的395个灵敏度。共计算得到28个灵敏度分布sij。用水作为高介电常数相，空气作为低介电常数相，以s12(1)为例，其计算方法表示为：

其中，s12(1)为灵敏度分布s12的第1个剖分单元7的灵敏度；为第1个剖分单元7的相对介电常数为水的介电常数80，而其余剖分单元7中的介电常数都为空气的介电常数1时，测量电极2对1-2之间的电容值；表示截面场域内充满相对介电常数为80的水时测量电极2对1-2之间的电容值；表示截面场域内充满相对介电常数为1的空气时测量电极2对1-2之间的电容值；μ(1)表示第1个剖分单元7的面积修正因子，取值0.5。

步骤三：根据步骤二计算得到的28个灵敏度分布sij，以负灵敏度区域比例pnreg和灵敏度极差rs为优化目标，评价所设计的ect传感器的性能，pnreg和rs越小表示ect传感器的性能越好。具体计算步骤为：

(1)计算每个剖分单元7的总体灵敏度：

其中，s(e)表示第e剖分单元7在不同激励电极2和测量电极2下的总体灵敏度，n＝8；

(2)在当前的参数n，θ，l，r下构成的ect传感器，计算其负灵敏度区域比例pnreg和灵敏度极差rs：

rs＝maxall_s-minall_s(4)

其中，nnreg表示总体灵敏度为负值的剖分单元7个数，nreg为总剖分单元7个数；maxall_s为剖分单元7中最大的总体灵敏度，minall_s为剖分单元7中最小的总体灵敏度。

(3)对于每一种由参数n，θ，l，r构成的ect传感器，均能够计算其对应的pnreg和rs，因此可得到ect传感器参数与优化目标之间的关系，从而确定使得优化目标处于最优化时的ect传感器参数n，θ，l，r组合，即确定非规则几何形状被测对象1性能最优的ect传感器。用公式表示为：

其中，opt(n，θ，l，r)表示由最优化参数n，θ，l，r构成的ect传感器的最优化评价目标， minpnreg为评价目标负灵敏度区域比例的最优值，minrs为评价目标灵敏度极差的最优值，f，g分别表示评价目标pnreg、rs和ect传感器结构之间的关系。

本实施例中，包括测量电极2及屏蔽电极3各8个，但亦可采用其他电极数目，如4、5、6、7、9、10等数目，根据实际非规则几何形状被测对象1的形状确定。

本实施例中，ect传感器横截面为非规则椭圆形，但本发明的非规则几何形状电容层析成像传感器及评价方法亦适用于非规则多边形或其他非规则形状。

本发明上述实施例仅用来对本发明进行示意性描述，并不局限于此，附图中所示只有是本发明的实施方式之一，凡在不脱离本发明宗旨的范围内，所做的等效变化或替代，均应包含在本发明的保护范围之内。