電容層析成像的技術應用研究

胡葉容

（深圳職業技術學院 廣東省深圳市 518055）

1 引言

電容層析成像技術簡稱ECT，該技術是過程層析成像技術的一種，過程層析成像技術的發展最初是于20 世紀末形成的，過程層析成像技術正式形成后便得到了快速的發展，在短短幾十年的發展過程中有了極大的改善。當前過程層析成像技術的主要研究對象為兩相流或是多相流，其過程參數主要包含二維或三維分布狀況的實時檢測技術。過程層析成像技術應用過程中主要是依據Radon 原理，在一定條件下，任何N 維物體都可以通過無限多個N-1 維投影進行重建，此外，PT 技術本質上還能夠實現系統對被測對象的某種物理特性分布進行Radon 的變化以逆變化過程。當前對于PT 技術的研究往往將其分為三個部分，分別為ECT 技術、電阻層成像技術以及電磁層成像技術，這三部分技術的應用原理有著很大的不同，在使用過程中最終所測得的信號分別是電容信號、電阻信號以及感應磁場信號，根據其信號的不同也可以進行場內介質介電常數、電阻率分布等進行分析。

2 ECT技術傳感器系統及測量和數據采集系統的研究分析

2.1 ECT系統與其他PT技術簡要介紹分析

如表1 所示，PT 技術包含三個部分，分別為ECT、ERT 以及EMT，ECT 技術作為PT 技術的一部分，其基本的應用原理主要是利用多項介質所具備的不同介電常數，由此通過電容傳感器來得到相應的介質分布圖像。一般的，ECT 系統也包含三個單元，即傳感器單元、測量以及數據采集單元、計算機圖像重建單元。在此過程中，電容傳感器可以測得被測場的基本分布情況，同時還能夠搜集傳感器所得到的相關信息，最后將所得到的信息傳遞到計算機中，由計算機最終分析計算繪制出相應的場域分布圖像。以上便是ECT系統在實際操作過程中繪制場域分布圖像的基本機理，據此所得到的圖像十分準確，成像過程也是比較簡便的，因而在研究過程中得到了廣泛的關注。對于PT 技術中其他幾方面的技術而言，其他兩部分的技術也是通過不同屬性的介質進行成像的，不同技術之間的差異主要體現在傳感器以及測量模塊方面的不同，這也是區分這三種技術的重要參數。一般的，PT 技術中不同方面的模塊在數據采集以及圖像重建單元方面都是一致的，因而不需要區分數據采集以及圖像重建過程，僅僅通過傳感器和測量模塊便可以清晰的了解不同技術的功能及其優勢缺陷所在。其中表1 中給出了電學層析成像技術之間的分析比較結果，重點從所測物理量、典型的介質屬性以及介質進行對比分析，以此來更好的了解三種技術之間的不同之處。

2.2 電容傳感系統

一般的，電容層析成像的電容傳感器是由四個部分組成，分別為檢測電極、絕緣管道、屏蔽電極以及接地屏蔽罩。在此過程中，傳感器發揮作用主要是利用了電容的邊緣效應，由此才能夠對具有一定介電常數的介質產生電容值，繪制出最終的圖像。電容傳感器系統作為ECT 系統的重要組成部分，近些年來對此的研究也在不斷進行，并最終取得了一定的成果。對于傳感電容器的研究改進主要體現在以下幾個方面：首先是研究并設計了新型結構的傳感器，第二是對于當前正在使用的電容傳感器進行結構方面的優化設計，最后一點則是設計除特殊結構的傳感器，這也是當前最為重要的三種傳感器設計形式。圖1 中給出了電容層析成像中電容傳感器的剖面圖，以此對電容傳感器有一個更為全面的認識，以下便針對當前三種電容傳感器的設計方向進行簡要的介紹分析。

圖1：12 電極ECT 傳感器的剖視圖

圖2：真正的3D ECT 傳感器

2.2.1 新型傳感器的設計簡要分析

當前ECT 系統中所使用的電容傳感器的基本結構中包含有8個或12 個電極，這些電極都是被固定的，一般是于絕緣架上被地屏蔽層所包圍。此外，其外形也大多一致，多為圓形，然而隨著科學技術的發展進步，在實際的應用過程中對于電容傳感器也有了更多的要求，這主要是由于實際的應用環境所決定的。一般的，應用環境不同需要不同結構的傳感器，只有滿足實際的應用環境，最終的成像效果才能有所保障，因而需要對電容傳感器進行改進，設計出一種新的電容傳感器來滿足不同應用環境下的需求。在對新型電容傳感器設計的過程中，主要需要解決以下幾方面的難題，其中最為重要的幾點便是確定電極的外形及其數目、設計合理的接地屏蔽層以及高溫高壓等。這些方面的問題都很大限制了傳統電容傳感器的使用。當前新型結構的電容傳感器已經研發出很多類型，其中成像效果較好的主要有以下幾類，分別為表2 所示。

2.2.2 傳感器結構參數的優化簡要介紹分析

當前ECT 系統中所使用的電容傳感器在應用過程中存在著很大的缺陷，主要體現在信號采集方面，由于該傳感器所采集的信號微弱，因而在應用過程中需要對此進行改進，主要是最大限度地提高圖像的質量，因而對于電容傳感器的結構參數進行優化十分有必要。對于電容傳感器結構參數的優化主要可以從以下幾方面入手進行研究，分別是信號噪聲比、圖像重建分別率等，結構參數會直接性的影響到電容傳感器的整體應用性能。在參數的優化過程中需要重點關注檢測電極的幾何參數、屏蔽電極的形狀與位置等，以下給出了幾種當前研究過程中比較先進的優化方法：首先是正交優化設計發，該方法使用的特點如下，其主要是從電容的敏感角度出發，結合性能參數來進行改進，以此將參數優化的設計作為關鍵性的研究內容，正交優化設計法的發展方向即向著自動生成的可能參數組合進行。關系曲線法也是比較重要的一種結構參數優化方法，該方法主要是建立優化目標函數及其指標，以此來確定結構參數與優化指標之間的關系曲線，通過關系曲線可以清晰的得出參數的最優值，以此來完成結構參數的改進。

表1：電學層析成像技術的比較

表2：新型結構的傳感器

2.2.3 傳感器設計新方向的簡要介紹分析

隨著科學技術的發展進步，ECT 系統電容傳感器也向著三維結構、微型化的方向發展，當前對于這方面的研究已然比較深入，其中在微型傳感器的設計過程中，需要充分考慮驅動保護電極的影響，由此便使該方面的研究十分復雜，對此需要轉變研究思路，COMS集成電路工藝法則有效的解決了這方面內的問題，在減小電容傳感器尺寸的同時，能夠保障信號的強度以及數據的采集速率。而在三維結構的研究方面，首先是由傳感器來獲得二維圖像，之后將時間作為第三維，以此通過二維圖像獲得3D 圖像，當前也提出了相應的三維ECT 電容傳感器的基本模型，其圖像如圖2 所示。最后在多模態設計的過程中，主要是講ECT 與ERT 進行有效的結合，由此來形成多模態的電容傳感器。多模態電容傳感器的基本結構分為分立式以及集成式兩種，二者所得到的圖像信息都更為完備。

2.3 電容測量以及數據采集系統的研究

電容測量以及數據采集系統主要適用于電極間微小容量及相應變化的精確測量，并將之快速的傳輸到計算機中進行處理。電容測量主要是實現CV 的轉化，在此過程中需要測量微小電容并抑制其他的電容。對于電容充放電法的結構而言，無需濾波器進行調節。當前在進行數據采集控制模塊以及通信模塊方面，需要對ADC 數據進行采集，同時在數據通信方面采用新型技術進行研究，以此來確保采樣的精確度。

3 ECT系統的應用實例簡要分析

ECT 系統首次應用是于1991年完成的，之后很多的大型石油公司都積極的支持ECT 技術的研究發展，國外的在該方面的研究發展比較完備，近些年來ECT 應用實例更是層出不窮，最為典型的如UMIST 與GEA 制藥系統公司等聯合推出了ACECT 系統，該系統廣泛的應用于在線測量制藥流化床烘干過程中的水分分布，且與2009年獲得了IET 創新獎。我國近些年來對于ECT 技術的研究也極為重視，并取得了可觀的成效。清華大學所研制的微控制器可以控制多個微電容來測量通道的ECT 系統，同時還測試了小型的流化床模擬裝置。浙江大學則開發出了ECT 技術的兩相流可視化系統，該系統在大慶油田試驗基地的兩相流回路得到了較好的應用，此外，很多研究機構也對ECT 技術進行了廣泛的研究，ECT 技術作為一個新興的研究領域，在未來的發展中有著廣闊的前景，我國對此仍需要更為深入的研究，向著智能化、集成化和一體化以及微型化的方向進一步研究發展。

4 結束語

本文中主要就電容層析成像技術的應用進行深入的研究分析，在此過程中主要研究了當前電容傳感器以及測量和數據采集系統的相關發展，據此來推進ECT 技術的快速發展。