基于高压交流激励电容层析成像系统研究

摘要

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)技术是上世纪80年代后出现的，能检测被测对象内部介质的二维或三维分布信息的自动检测技术。近年来，对电容层析成像技术研究的热点主要集中在微小电容量测量与图像重建两个方面。本文对微小电容检测问题进行了研究，设计了一种高压交流激励微小电容测量电路，并在此基础上设计实现了高压交流激励ECT系统。论文的主要工作及创新点包括:
　　(1)分析了用于电容层析成像系统的交流微小电容测量电路，研制了高压交流激励微小电容测量电路。研制了可分辨aF数量级的可变比对电容器，并利用该可变电容器对所设计的微小电容测量电路的性能指标进行了检验。检验结果表明，所设计的测量电路具有aF数量级的分辨力、高稳定性（4小时6aF）、高线性度（相关系数大于0.9992）等特点。
　　(2)以灵敏度矩阵的条件数、均匀性以及传感器电容变化范围等为优化指标，设计制作了内置8极板传感器阵列;研制了适合高压交流激励信号的极板切换电路;设计实现了750Vpp激励电压的高压交流激励8极板ECT系统。利用新建高压交流激励8极板ECT系统与20Vpp激励电压的ECT系统对传感器阵列内部分布的占空比小于1％的目标进行了识别对比实验，实验结果表明高压ECT系统对微小目标的识别能力高于低压系统。
　　(3)分析了介电常数未知时如何选择介电常数计算灵敏度矩阵问题。利用高压交流激励8极板ECT系统对介电常数未知的典型流型分布进行了图像重建实验。实验结果表明，高压交流激励8极板ECT系统具有良好的图像重建能力。
　　(4)研制了高压交流激励24极板ECT系统，利用新建系统在滤波LBP、Landweber迭代、正则化迭代算法支持下对10种典型流型分布进行了图像重建实验。实验结果表明，除了分布于传感器阵列中心的核心流型的误差指标较高外，其它各种流型的误差指标均较低;而且，即使是投影LBP算法也能获得高质量的重建图像，这充分说明增加极板数量可以降低ECT系统的图像重建难度，提高了ECT系统重建图像质量。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 过程成像技术发展概况

1．2 电容层析成像技术进展

1．3 本课题背景及本文主要工作

1．4 论文的组织结构

第2章 电容层析成像技术

2．1 过程成像技术的数学基础

2．2 电容层析成像系统的原理概述

2．2．1 电容层析成像系统的正问题

2．2．2 ECT系统逆问题

2．3 电容层析成像系统的结构

2．4 电容层析成像系统的电容传感器阵列

2．4．1 电容层析成像系统的传感器阵列形式

2．4．2 ECT电容传感器阵列的极板激励方式

2．5 ECT图像重建算法概述

2．5．1 非迭代类算法

2．5．2 迭代类算法

2．5．3 智能优化算法

2．6 ECT系统图像重建质量评价方法

2．7 本章小结

第3章 微小电容测量电路研究

3．1 微小电容测量电路概述

3．1．1 直流充放电法电容测量电路

3．1．2 基于交流电容测量电路

3．1．3 高压交流微小电容测量电路

3．2 交流法电容检测电路的关键参数分析

3．2．1 交流法电容测量电路的C／V转换电路

3．2．2 C／V转换电路灵敏度研究

3．2．3 C／V转换电路的噪声分析

3．2．4 C／V转换电路参数分析总结

3．3 改进的高压交流微小电容检测电路

3．3．1 高压激励信号发生电路

3．3．2 基于变压器电桥原理的电容检测电路

3．4 高压交流微小电容测量电路性能指标测试

3．4．1 比对电容器的设计

3．4．2 比对电容的不确定度评定

3．4．3 高压交流激励微小电容测量电路的性能测试结果

3．5 本章小结

第4章 高压交流激励8极板ECT系统

4．1 高压交流激励8极板ECT传感器优化设计

4．1．1 高压交流激励ECT传感器的优化目标

4．1．2 ECT传感器阵列极板参数优化设计

4．2 适合高压交流激励ECT系统的极板切换电路设计

4．3 高压交流激励ECT系统

4．4 高压交流激励ECT系统的小占空比目标识别实验

4．4．1 高、低压交流激励ECT复合系统实验装置

4．4．2 实验系统标定

4．4．3 数据预处理与图像重建算法说明

4．4．4 对比实验结果

4．5 介电常数未知情况下高压ECT系统的典型流型图像重建实验

4．5．1 介电常数未知情况下的图像重建研究

4．5．2 介电常数未知情况下高压ECT系统典型流型图像重建实验

4．6 本章小结

第5章 高压交流激励24极板ECT系统的设计及图像重建实验

5．1 高压交流激励24极板ECT系统的设计

5．1．1 内置24极板实验传感器参数选择

5．1．2 高压交流激励24极板ECT系统装置

5．1．3 灵敏度矩阵计算

5．1．4 测量数据预处理及图像重建算法

5．1．5 重建图像的质量评价

5．2 高压交流激励24极板ECT系统的电容检测电路稳定性测试

5．3 高压交流激励24极板ECT系统图像重建实验

5．4 高压交流激励24极板ECT系统实验结论

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

作者简介、发表的文章及参加科研项目