電傳感器的應用研究

摘要：以電阻抗斷層成像方法為基礎，分析了以物質介電常數成像的電傳感器，在此基礎上研究了不同介電常數、電荷密度、電勢差等相關參數對電傳感器的成像影響。結果表明：在以電介質介電常數為機理的電傳感器應用中，物體和周圍介質的介電常數比值是成像效果的重要影響因素，而電勢差對成像效果的影響甚微。

關鍵詞：傳感器;靜電電荷;介電常數

中圖分類號：TP301.6

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（ 2019） 24-0206-03

1 引言

電阻抗斷層成像方法，廣泛應用于醫療診斷中，由于機體中不同器官和組織的電阻抗特性的差別，能夠對各器官和組織進行形態的檢測和定位，便于診斷一些病變組織和器官，目前關于電阻抗斷層成像的研究較多，大多基于各器官的電阻抗特性進行診斷，而關于各器官的介電常數成像的較少，有也是集中在物體介電常數成像的方法介研究[1-4]，對影響成像的參數的研究則較少。本文以簡單的模型來研究介電常數成像的特征及其參數影響，試圖為醫療診斷提供理論依據。

2 基本原理

根據電介質中的高斯定理：

3 數值模擬

本文利用Comsol軟件模擬了利用外加電場診斷皮膚組織內部出現病變組織的情況，利用簡單模型研究了不同組織的表面電荷分布和電位移分布等特征，由于不同組織中介電常數的不同，所以利用表面電荷密度分布即可對不同組織成像，并對相關參數進行了分析討論。

人體組織、器官是非常復雜的，為了簡單模擬不同組織在皮膚下的成像情況，對相關問題進行了簡化處理，用不規則形狀1替代組織，用圓柱形2來替代皮膚組織下的血管，對其進行網格化處理，平面圖如圖1所示，在此基礎上研究不同介電常數、電荷密度、電勢差等相關參數對靜電傳感器系統的成像影響。

靜電傳感器的成像影響參數中非常關鍵的因素為物體的介電常數與周圍介質的介電常數的比值，圖2是不同介電常數的同一形狀的物體在同一介質中的成像情況，在研究過程中，保持圓柱體的介電常數不變，其中圖2（a）是不規則形狀物體1的介電常數和周圍環境介電常數的比值為1.5：1時的成像情況，圖2（b）是不規則形狀物體1的介電常數和周圍環境介電常數的比值為2：1時的成像情況，圖2（c）是不規則形狀物體1的介電常數和周圍環境介電常數的比值為2.5：1時的成像情況，對比可以看出，當不規則形狀物體與周圍環境的介電常數比值較小時，根據兩種介質表面電荷分布與介電常數的關系，可以看出，物體成較為模糊的相，與周圍介質邊界模糊，只能得到大致模糊的影像，當所加電壓等參數不變時，物體的介電常數和周圍介質介電常數比值增大到2：1時，如圖2（b）所示，物體成像較圖2（a）相比，清晰程度有了明顯的增加，能夠看清楚物體的輪廓，但是物體和介質邊緣仍然比較模糊，繼續增加物體的介電常數和介電常數的比值，使其達到2.5：1時，可以看到物體呈現較為清晰的相，和介質的邊界清晰可見。綜上所述，物體的介電常數與周圍介質的介電常數的比值是影響成像的關鍵因素。

為了研究電勢對介質中物體表面成像的影響，研究了當介質和物體介電常數比值不變時，不同電勢差下，圓柱表面的電荷密度和介質表面電荷隨x方向距離的變化曲線，如圖3所示，圖3（a）和（b）分別是當介質上下表面電勢差為0. 5V和IV時，圓柱表面的電荷密度和介質表面電荷隨x方向距離的變化曲線，其中紅色的曲線表明圓柱表面的電荷密度變化曲線，黑色曲線代表介質表面電荷密度的變化曲線，由圖2的討論可知，成像效果的重要因素是物體和周圍介質電荷密度的比值，經過數值分析發現，當介質上下表面的電勢差發生變化時，圓柱表面的電荷密度和介質表面電荷隨x方向距離的變化規律是相似的，并且同一位置處，隨著電勢差的改變，圓柱表面的電荷密度和介質表面電荷的比值相近，這說明：電勢差的改變，并不會明顯改變成像的清晰程度。

4 結語

本文以電阻抗斷層成像方法為基礎，研究了以物質介電常數成像的電傳感器，在此基礎上研究物體和介質的介電常數比值、電荷密度、介質上下表面電勢差等相關參數對電傳感器系統的成像影響。研究結果表明：在以電介質介電常數為機理的電傳感器應用中，物體和周圍介質的靜電常數比值是成像效果的重要影響因素，二者比值越大，成像效果越好，而電勢差對成像效果的影響甚微。

參考文獻：

[l]翁 道，湯其富，一種互補耦合型電磁感應式直線位移傳感器的研究[J].傳感技術學報，2019，32（7）：996-1002.

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[3]馬曉妮，電阻抗成像系統的設計[D].南京：南京郵電大學，2014.

[4]國 磊.電阻抗成像系統的研究與設計[D].長春：吉林大學，2019.

收稿日期：2019-11-14

基金項目：寧夏高等學校一流學科建設（教育學學科）項目（編號：NXYLXK2017Bll）;寧夏師范學院201 9年度校級本科教學項目（編號：NJ201904）

作者簡介：趙飛燕（1981-），女，講師，研究方向為電子電路設計。