CN103235013B - 非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法，它包括相连接的传感器、数据采集模块和图像重建计算机；传感器由绝缘管道和等间距环绕在绝缘管道外表面的矩形金属电极组成；数据采集模块包括直接数字式频率合成器（DDS）单元、相敏解调（PSD）单元和控制与通讯单元；每个PSD单元都分别与相应矩形金属电极连接，其中任意一个PSD单元与DDS单元相连，并通过排线与其余PSD单元并接，然后再和控制与通讯单元相连。本发明通过传感器的一体化保证测量空间的一致性，数据采集模块的一体化保证测量时间的一致性，而且非接触式测量有效克服了传统接触式测量存在的电极极化、腐蚀问题。

Description

非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法。

背景技术

电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography，简写为ECT）和电阻层析成像（Electrical Resistance Tomography，简写为ERT）是当前过程层析成像领域研究相对较为成熟的两种电学层析成像技术。这两种技术分别适用于多相流检测领域不同的应用范围，ECT适用于连续相为非导电介质的测量，ERT适用于连续相为导电介质的测量。由于多相流复杂多变，常存在连续相的转换问题，例如在油水两相流中，当油较多作为连续相而水较少作为离散相时应采用ECT，当水增多变成连续相而油减少变成离散相时应采用ERT。此外，二者在数学模型、电磁场的正问题和逆问题求解以及数据采集等方面有很大相似性。为扩大测量范围，国内外众多学者纷纷参与研究将ECT和ERT融合形成电容/电阻双模态层析成像系统（即ECT/ERT双模态系统）。

现有的ECT/ERT双模态系统往往将两套独立的ECT和ERT装置进行组合，ECT和ERT的传感器电极分别安装在同一管道的不同截面，或者先将ECT、ERT的电极组合成复合电极然后再安装在管道内外表面上，而且不同模态的数据采集模块需基于不同测量原理分别设计，实际测量时为避免不同工作原理的测量电路之间相互干扰，不同模态的数据采集模块只能交替工作，这些双模态系统往往具有如下缺点：1）传感器电极的单独设计使测量空间的一致性难以得到保证，数据采集模块的交替工作使测量时间的一致性难以得到保证，故两个模态间测量的时空一致性难以得到保证；2）其ERT的电极与管内流体接触，容易产生电极极化和电化学腐蚀问题，接触式的测量也限制了其在存在强酸、强碱等腐蚀性液体的工业生产过程中的应用；3）针对ECT、ERT两种模态需要设计不同的传感器电极和数据采集模块，系统结构较复杂。

1980年，基于四电极结构的电容耦合非接触电导检测（CapacitivelyCoupled Contactless Conductivity Detection，简写为C⁴D）技术被首次提出。1998年，Zemann等和Fracassi da Silva等分别独立提出了基于两电极的C⁴D测量方法，将C⁴D技术进行了简化。在C⁴D技术中，电极无需与管内被测介质，便可测量两电极之间的电阻。这种非接触的电导（电阻）测量技术为实现非接触的ECT/ERT双模态系统提供了重要参考。

本发明针对当前ECT/ERT双模态系统的发展现状，提出了一种新型的基于C⁴D原理的非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法，通过相敏解调（Phase Sensitivity Demodulation，简写为PSD）的方法，在电极与被测介质非接触的情况下，只利用一套传感器和数据采集模块就可以同时测出管内同一截面的介电常数分布和电导率分布，实现了ECT/ERT双模态层析成像。通过传感器的一体化保证了测量空间的一致性，数据采集模块的一体化保证了测量时间的一致性，从而保证了双模态测量时间和空间的一致性，而且非接触的测量避免了传统接触式双模态测量的电极极化和化学腐蚀问题，简化了双模态系统的结构，拓宽了ECT/ERT双模态技术的应用范围。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种应用范围更广，可以确保ECT、ERT两种模态测量的时空一致性，并且可避免电极极化、电极腐蚀的非接触式一体化ECT/ERT双模态层析成像测量装置及方法。

非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置包括相连接的传感器、数据采集模块和图像重建计算机；传感器由绝缘管道和等间距地环绕在绝缘管道外表面的多个矩形金属电极组成，数据采集模块由直接数字式频率合成器单元、多个相敏解调单元和控制与通讯单元组成，多个相敏解调单元与多个矩形金属电极一一对应相连，多个相敏解调单元中的任意一个与直接数字式频率合成器单元连接组成测量模块，并通过排线与多个相敏解调单元中的其余相敏解调单元相连，多个相敏解调单元的输出端口通过排线和控制与通讯单元相连接，控制与通讯单元通过USB接口与图像重建计算机相连；测量模块包括直接数字式频率合成器单元、电极接口、第一电子开关、电流/电压转换电路、第一乘法器U₂、第二乘法器U₃、第一放大电路、第二放大电路、第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、第二电子开关、通用逻辑阵列、控制总线和数据总线；电流/电压转换电路由运放U₁和电阻R_f组成，第一放大电路由电阻R₁、电阻R₂和运放U₄组成，第二放大电路由电阻R₃、电阻R₄和运放U₅组成，第一低通滤波电路由电阻R₅和电容C₁组成，第二低通滤波电路由电阻R₆和电容C₂组成；直接数字式频率合成器单元用来产生0°正弦信号V_ref0的第一端口与第一电子开关的第一端口和第一乘法器U₂的第一输入端口连接，直接数字式频率合成器单元用来产生与0°正弦信号V_ref0同频的90°正弦信号V_ref90的第二端口与第二乘法器U₃的第一输入端口连接，第一电子开关的第二端口与电极接口连接，第一电子开关的第三端口与运放U₁的反向输入端和电阻R_f的一端连接，运放U₁的同相输入端接地，运放U₁的输出端与电阻R_f的另一端、第一乘法器U₂的第二输入端口、第二乘法器U₃的第二输入端口连接，第一乘法器U₂的输出端与电阻R₁的一端连接，电阻R₁的另一端分别与运放U₄的反向输入端和电阻R₂的一端连接，运放U₄的同相输入端接地，运放U₄的输出端与电阻R₂的另一端以及电阻R₅的一端连接，电阻R₅的另一端分别与电容C₁的一端以及第二电子开关的第一输入端口连接，电容C₁的另一端接地，第二乘法器U₃的输出端与电阻R₃的一端连接，电阻R₃的另一端分别与运放U₅的反向输入端和电阻R₄的一端连接，运放U₅的同相输入端接地，运放U₅的输出端与电阻R₄的另一端以及电阻R₆的一端连接，电阻R₆的另一端分别与电容C₂的一端以及第二电子开关的第二输入端口连接，电容C₂的另一端接地，第二电子开关的第三端口与数据总线连接，第一电子开关的控制端口和第二电子开关的控制端口分别与通用逻辑阵列的输出端口连接，通用逻辑阵列的输入端口与控制总线连接，控制总线上的控制信号利用通用逻辑阵列控制第一电子开关和第二电子开关的开关状态。

所述的多个矩形金属电极为12个矩形金属电极，多个相敏解调单元为12个相敏解调单元。

非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量方法是：非接触式一体化电容/电阻双模态系统的12个矩形金属电极中任意两电极之间的等效电容和等效电阻是通过相敏解调方式测量的；首先将第一相敏解调单元作为激励端，其余十一个相敏解调单元依次作为检测端，先测量第一相敏解调单元对应电极和第二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻，当绝缘管道内多相流体连续相为非导电流体时，传感器工作在电容层析成像模态，12个矩形金属电极中任意两电极之间会形成耦合电容；当绝缘管道内多相流体连续相为导电流体时，传感器工作在电阻层析成像模态，12个矩形金属电极中任意一个电极与绝缘管道内导电流体之间都会形成耦合电容，故无论传感器工作在电容层析成像模态还是电阻层析成像模态，都会形成耦合电容，能将直接数字式频率合成器单元第一端口输出的0°正弦电压信号V_ref0经激励端耦合到绝缘管道内，0°正弦电压信号V_ref0流经装载有多相流体的绝缘管道后形成电流信号，传递到作为检测端的第二相敏解调单元上，在第二相敏解调单元上先经过电流/电压转换电路转换成电压信号V_out，V_out分别与直接数字式频率合成器单元产生的同频的0°正弦电压信号V_ref0和90°正弦电压信号V_ref90进行相敏解调运算，测量第二相敏解调单元的第一低通滤波电路输出端的直流电压V₀和第二低通滤波电路输出端的直流电压V₉₀，用如下公式计算第一相敏解调单元对应电极和第二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻：

$C_x=\frac{2{\left(\frac{V_0{R}_1}{{\mathrm{AR}}_2}\right)}^2+2{\left(\frac{V_{90}{R}_3}{{\mathrm{BR}}_4}\right)}^2}{\left(\frac{{\mathrm{\ωR}}_f{\mathrm{AV}}_{90}{R}_3}{{\mathrm{BR}}_4}\right)}$

$R_x=\frac{{0.5V}_0{R}_f{R}_1/R_2}{{\left(\frac{V_0{R}_1}{{\mathrm{AR}}_2}\right)}^2+{\left(\frac{V_{90}{R}_3}{{\mathrm{BR}}_4}\right)}^2}$

其中A、B分别是同频的0°正弦电压信号V_ref0和90°正弦电压信号V_ref90的幅值，ω是同频的正弦电压信号V_ref0和正弦电压信号V_ref90的角频率；依次测量第一相敏解调单元对应电极和第三相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻……第一相敏解调单元对应电极和第十二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻；然后以第二相敏解调单元为激励端，第三到第十二相敏解调单元依次为检测端，依次测量第二相敏解调单元对应电极和第三相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻……第二相敏解调单元对应电极和第十二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻；以此类推，最后测量第十一相敏解调单元对应电极和第十二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻；总共得到66组等效电容和等效电阻值，利用这66组等效电容和等效电阻值，在图像重建计算机上重建出绝缘管道截面上被测流体介电常数分布和电导率分布的图像。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

1）通过传感器的一体化保证测量空间的一致性，数据采集模块的一体化保证测量时间的一致性，从而保证了双模态测量时间和空间的一致性。

2）测量方法为非接触测量，有效克服了接触式ECT/ERT双模态技术存在的电极极化、化学腐蚀问题。

附图说明

图1是非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置的结构示意图；

图2是本发明的测量模块的方框图；

图3是本发明的控制与通讯单元方框图；

图4是本发明的传感器沿管截面方向的剖面图；

图5是本发明的传感器的矩形金属电极分布图；

图6是本发明的传感器工作在ECT模态下任意电极对之间的等效电路图；

图7是本发明的传感器工作在ERT模态下任意电极对之间的等效电路图；

图中：传感器1、绝缘管道2、矩形金属电极3、PSD单元4、直接数字式频率合成器单元5、控制与通讯单元6、数据采集模块7、图像重建计算机8。

具体实施方式

如图1、2所示，非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置包括相连接的传感器1、数据采集模块7和图像重建计算机8；传感器1由绝缘管道2和等间距地环绕在绝缘管道2外表面的多个矩形金属电极3组成，数据采集模块7由直接数字式频率合成器单元5、多个相敏解调单元4和控制与通讯单元6组成，多个相敏解调单元4与多个矩形金属电极3一一对应相连，多个相敏解调单元4中的任意一个与直接数字式频率合成器单元5连接组成测量模块，并通过排线与多个相敏解调单元4中的其余相敏解调单元相连，多个相敏解调单元4的输出端口通过排线和控制与通讯单元6相连接，控制与通讯单元6通过USB接口与图像重建计算机8相连；测量模块包括直接数字式频率合成器单元5、电极接口、第一电子开关、电流/电压转换电路、第一乘法器U₂、第二乘法器U₃、第一放大电路、第二放大电路、第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、第二电子开关、通用逻辑阵列、控制总线和数据总线；电流/电压转换电路由运放U₁和电阻R_f组成，第一放大电路由电阻R₁、电阻R₂和运放U₄组成，第二放大电路由电阻R₃、电阻R₄和运放U₅组成，第一低通滤波电路由电阻R₅和电容C₁组成，第二低通滤波电路由电阻R₆和电容C₂组成；直接数字式频率合成器单元5用来产生0°正弦信号V_ref0的第一端口与第一电子开关的第一端口和第一乘法器U₂的第一输入端口连接，直接数字式频率合成器单元5用来产生与0°正弦信号V_ref0同频的90°正弦信号V_ref90的第二端口与第二乘法器U₃的第一输入端口连接，第一电子开关的第二端口与电极接口连接，第一电子开关的第三端口与运放U₁的反向输入端和电阻R_f的一端连接，运放U₁的同相输入端接地，运放U₁的输出端与电阻R_f的另一端、第一乘法器U₂的第二输入端口、第二乘法器U₃的第二输入端口连接，第一乘法器U₂的输出端与电阻R₁的一端连接，电阻R₁的另一端分别与运放U₄的反向输入端和电阻R₂的一端连接，运放U₄的同相输入端接地，运放U₄的输出端与电阻R₂的另一端以及电阻R₅的一端连接，电阻R₅的另一端分别与电容C₁的一端以及第二电子开关的第一输入端口连接，电容C₁的另一端接地，第二乘法器U₃的输出端与电阻R₃的一端连接，电阻R₃的另一端分别与运放U₅的反向输入端和电阻R₄的一端连接，运放U₅的同相输入端接地，运放U₅的输出端与电阻R₄的另一端以及电阻R₆的一端连接，电阻R₆的另一端分别与电容C₂的一端以及第二电子开关的第二输入端口连接，电容C₂的另一端接地，第二电子开关的第三端口与数据总线连接，第一电子开关的控制端口和第二电子开关的控制端口分别与通用逻辑阵列的输出端口连接，通用逻辑阵列的输入端口与控制总线连接，控制总线上的控制信号利用通用逻辑阵列控制第一电子开关和第二电子开关的开关状态。

非接触式一体化ECT/ERT双模态层析成像测量装置开始工作时，直接数字式频率合成器单元5首先产生两路正交的同频正弦电压信号（直接数字式频率合成器单元5第一端口输出0°正弦电压信号V_ref0的相位偏移为0°，第二端口输出90°正弦电压信号V_ref90的相位偏移为90°）；当测量模块作激励时，V_ref0通过第一电子开关流入电极接口，再流经装载有多相流体的绝缘管道2后形成电流信号；当测量模块作检测时，电流信号通过第一电子开关从电极接口流入电流/电压转换电路的输入端，转换成电压信号V_out，再并行到达第一乘法器的第二输入端口和第二乘法器的第二输入端口，在第一乘法器电路中作为乘法器的一个输入与V_ref0相乘得到一路输出V_mul0，在第二乘法器电路中作为乘法器的一个输入与V_ref90相乘得到另一路输出V_mul90，V_mul0先后经过第一放大电路和第一低通滤波电路得到直流电压信号V₀，V_mul90先后经过第二放大电路和第二低通滤波电路得到直流电压信号V₉₀；然后控制总线通过控制逻辑阵列控制使第二电子开关的第一端口和第三端口接通，第二端口断开，使第一低通滤波电路输出的直流电压信号V₀经第二电子开关流入数据总线；再使第二电子开关的第二端口和第三端口接通，第一端口断开，使第二低通滤波电路输出的直流电压信号V₉₀经第二电子开关流入数据总线。

如图3所示，控制与通讯单元6包括数字信号处理器（DSP）、USB接口电路、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、模数转换电路和通用阵列逻辑（GAL）器件。DSP分别与CPLD的输入端、模数转换电路的输出端以及USB接口电路连接，并与CPLD一同控制到模数转换电路，CPLD的输出端与GAL的输入端连接，模数转换电路的输入端与数据总线连接。

所述的多个矩形金属电极3为12个矩形金属电极3，多个相敏解调单元4为12个相敏解调单元4。

非接触式一体化ECT/ERT双模态层析成像测量装置的工作流程为：图像重建计算机8通过USB接口电路把控制命令发送给控制与通讯单元6，控制与通讯单元6上的DSP接收控制命令后，通过CPLD锁存控制信号，这些信号再传送到GAL器件，GAL器件产生第一电子开关、第二电子开关的控制信号，来控制第一电子开关与第二电子开关的状态；首先控制12个PSD单元4中的一个作为激励端，使得其第一电子开关的第一端口、第二端口接通，第三端口断开，使得与该PSD单元相连的矩形金属电极作为激励电极；再控制另一个PSD单元作为检测端，使其上的第一电子开关的第二端口和第三端口接通，第一端口断开，使得与该PSD单元相连的矩形金属电极作为检测电极；其余的PSD单元上第一电子开关的所有端口都断开，使对应相连的矩形金属电极保持悬浮状态；则激励电极和检测电极对之间形成一个交流通路，直接数字式频率合成器单元5产生的0°正弦电压信号V_ref0从激励电极流入，流过绝缘管道2内的被测流体后变成电流信号流入检测电极的电极接口，然后经检测电极的电流/电压转换电路将信号转换成电压信号V_out，V_out再分别并行经过第一乘法器电路与第二乘法器电路，与直接数字式频率合成器单元5产生的同频的0°正弦电压信号V_ref0和90°正弦电压信号V_ref90一同进行相敏解调，然后并行通过第一放大电路和第二放大电路再并行经过第一低通滤波电路与第二低通滤波电路，在第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分别得到两路直流电压信号V₀和V₉₀；然后通过控制总线控制通用逻辑阵列使第二电子开关的第一端口和第三端口接通，第二端口断开，使第一低通滤波电路的输出信号V₀经第二电子开关流入数据总线；再使第二电子开关的第二端口和第三端口接通，第一端口断开，使第二低通滤波电路的输出信号V₉₀经第二电子开关流入数据总线；随后将V₀和V₉₀依次传送至模数转换电路进行模数转换，DSP获得模数转换结果后，通过USB接口电路将结果发送至图像重建计算机8，在图像重建计算机8上通过线性反投影(Linear Back Projection,简写为LBP)算法进行图像重建。

如图4、图5所示，传感器1的12个矩形金属电极3等间距地安装在绝缘管道2外表面上，绝缘管道2采用聚氯乙烯材料，管壁厚度1.74mm，公称直径110mm，矩形金属电极为铜片电极，尺寸为24mm×150mm，张角为25°。

如图6所示，当绝缘管道2内流体连续相为非导电流体时，双模态系统工作在ECT模态，传感器1的12个矩形金属电极对3中的任意两个电极之间的电路可以等效为一个电容C₃。电容C₃表示两个电极通过绝缘管道和绝缘管道内非导电流体形成的耦合电容。如图7所示，当绝缘管道2内流体连续相为导电流体时，双模态系统工作在ERT模态，传感器1的12个矩形金属电极对3中的任意两个电极之间的电路可以等效为：电容C₄的一端与电阻R的一端连接，电阻R的另一端与电容C₅的一端连接。电容C₄、电容C₅分别为激励电极和检测电极与被测导电流体形成的两个耦合电容，电阻R是绝缘管道2内电极对之间流体等效电阻。故传感器1工作在ECT、ERT不同模态时任意电极对间等效电路都可以简化成为RC串联网络。

传统的ECT/ERT双模态层析成像往往是两套独立的ECT和ERT系统进行组合，ECT和ERT的电极需分别安装在同一管道的不同截面，或者先将ECT、ERT的电极组合成复合电极然后再安装在管道内外表面上，其ERT的电极与管内流体接触，而且针对ECT、ERT两种模态需要设计不同的电极和数据采集模块，用于图像重建的电容和电阻信息的采集是基于不同的原理分别进行的，然后在计算机上通过数据融合实现，而本发明中双模态层析成像只用一套矩形金属电极，不区分是ECT电极或ERT电极，实现了双模态系统传感器1的一体化，而且12个矩形金属电极3均不与管内流体接触，用于图像重建的电容和电阻信息的采集是基于相同的原理同时进行的，实现了数据采集模块的一体化；非接触式一体化ECT/ERT双模态层析成像中用于图像重建的电容和电阻信息的采集方法是：首先将第一PSD单元作为激励端，其余十一个PSD单元依次作为检测端；先测量第一PSD单元对应电极和第二PSD单元对应电极之间的等效电容和等效电阻，当绝缘管道2内多相流体连续相为非导电流体时，传感器1工作在电容层析成像模态，12个矩形金属电极3中任意两电极之间会形成耦合电容；当绝缘管道2内多相流体连续相为导电流体时，传感器1工作在电阻层析成像模态，12个矩形金属电极3中任意一个电极与绝缘管道2内导电流体之间都会形成耦合电容，故无论传感器1工作在电容层析成像模态还是电阻层析成像模态，都会形成耦合电容，能将直接数字式频率合成器单元5第一端口输出的0°正弦电压信号V_ref0经激励端耦合到绝缘管道2内，0°正弦电压信号V_ref0流经装载有多相流体的绝缘管道2后形成电流信号，传递到作为检测端的第二PSD单元上，在第二PSD单元上先经过电流/电压转换电路转换成电压信号V_out：

$V_{\mathrm{out}}=-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{C_x}^2{R}_x{R}_f}{1+{\mathrm{\ω}}^2{R_x}^2{C_x}^2}{V}_{\mathrm{ref}0}-j\frac{{\mathrm{\ωC}}_x{R}_f}{1+{\mathrm{\ω}}^2{R_x}^2{C_x}^2}{V}_{\mathrm{ref}0}$

其中C_x和R_x是与激励端对应矩形金属电极和与检测端对应矩形金属电极之间的等效电容和等效电阻，R_f是电阻R_f的电阻值；当直接数字式频率合成器单元5的输出的同频的0°正弦电压信号V_ref0、90°正弦电压信号V_ref90满足：

V_ref0(t)＝Asinωt

V_ref90(t)＝Bsin(ωt+π/2）

其中A、B分别是同频的0°正弦电压信号V_ref0和90°正弦电压信号V_ref90的幅值，ω是同频的0°正弦电压信号V_ref0和90°正弦电压信号V_ref90的角频率，则V_out的实部值为：

$V_{\mathrm{real}}=-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{C_x}^2{R}_x{R}_f}{1+{\mathrm{\ω}}^2{R_x}^2{C_x}^2}A$

V_out的虚部值是：

$V_{\mathrm{imag}}=-\frac{{\mathrm{\ωC}}_x{R}_f}{1+{\mathrm{\ω}}^2{R_x}^2{C_x}^2}B$

则V_out的幅值为：

$V_A=\sqrt{V_{\mathrm{real}}^2+V_{\mathrm{imag}}^2}$

V_out相对于V_ref0的相角偏移量为：

θ＝arccos(V_real/V_A)

V_out分别与同频的0°正弦电压信号V_ref0和90°正弦电压信号V_ref90进行乘法运算，分别在乘法器输出端得到输出电压为：

V_mul0＝V_Asin(ωt+θ)Asinωt＝-0.5AV_A[cos(2ωt+θ)-cosθ]

V_mul90＝V_Asin(ωt+θ)Bcosωt＝0.5BV_A[sin(2ωt+θ)+sinθ]

然后V_mul0和V_mul90并行通过放大电路放大V_mul0和V_mul90信号，再通过低通滤波电路滤除交流成分，然后在作为检测端的PSD单元输出端得到两路直流电压信号V₀、V₉₀为：

V₀＝-0.5AV_AcosθR₂/R₁

V₉₀＝-0.5BV_AsinθR₄/R₃

其中R₁、R₂、R₃、R₄分别是第一放大电路和第二放大电路上对应电阻的电阻值，由这两路直流电压值可以计算得到第一相敏解调单元对应电极和第二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻：

$C_x=\frac{2{\left(\frac{V_0{R}_1}{{\mathrm{AR}}_2}\right)}^2+2{\left(\frac{V_{90}{R}_3}{{\mathrm{BR}}_4}\right)}^2}{\left(\frac{{\mathrm{\ωR}}_f{\mathrm{AV}}_{90}{R}_3}{{\mathrm{BR}}_4}\right)}$

$R_x=\frac{{0.5V}_0{R}_f{R}_1/R_2}{{\left(\frac{V_0{R}_1}{{\mathrm{AR}}_2}\right)}^2+{\left(\frac{V_{90}{R}_3}{{\mathrm{BR}}_4}\right)}^2}$

依次测量第一PSD单元对应电极和第三PSD单元对应电极之间的等效电容和等效电阻……第一PSD单元对应电极和第十二PSD单元对应电极之间的等效电容和等效电阻；然后以第二PSD单元为激励端，第三到第十二PSD单元依次为检测端，依次测量第二PSD单元对应电极和第三PSD单元对应电极之间的等效电容和等效电阻……第二PSD单元对应电极和第十二PSD单元对应电极之间的等效电容和等效电阻；以此类推，最后测量第十一PSD单元对应电极和第十二PSD单元对应电极之间的等效电容和等效电阻；总共得到66组等效电容和等效电阻值，利用这66组等效电容和等效电阻值，在图像重建计算机8上由LBP算法重建出绝缘管道截面上被测流体介电常数分布和电导率分布的图像。

Claims (3)

1.一种非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置，其特征在于包括相连接的传感器(1)、数据采集模块(7)和图像重建计算机(8)；传感器(1)由绝缘管道(2)和等间距地环绕在绝缘管道(2)外表面的多个矩形金属电极(3)组成，数据采集模块(7)由直接数字式频率合成器单元(5)、多个相敏解调单元(4)和控制与通讯单元(6)组成，多个相敏解调单元(4)与多个矩形金属电极(3)一一对应相连，多个相敏解调单元(4)中的任意一个与直接数字式频率合成器单元(5)连接组成测量模块，并通过排线与多个相敏解调单元(4)中的其余相敏解调单元相连，多个相敏解调单元(4)的输出端口通过排线和控制与通讯单元(6)相连接，控制与通讯单元(6)通过USB接口与图像重建计算机(8)相连；测量模块包括直接数字式频率合成器单元(5)、电极接口、第一电子开关、电流/电压转换电路、第一乘法器U₂、第二乘法器U₃、第一放大电路、第二放大电路、第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、第二电子开关、通用逻辑阵列、控制总线和数据总线；电流/电压转换电路由运放U₁和电阻R_f组成，第一放大电路由电阻R₁、电阻R₂和运放U₄组成，第二放大电路由电阻R₃、电阻R₄和运放U₅组成，第一低通滤波电路由电阻R₅和电容C₁组成，第二低通滤波电路由电阻R₆和电容C₂组成；直接数字式频率合成器单元(5)用来产生0°正弦信号V_ref0的第一端口与第一电子开关的第一端口和第一乘法器U₂的第一输入端口连接，直接数字式频率合成器单元(5)用来产生与0°正弦信号V_ref0同频的90°正弦信号V_ref90的第二端口与第二乘法器U₃的第一输入端口连接，第一电子开关的第二端口与电极接口连接，第一电子开关的第三端口与运放U₁的反向输入端和电阻R_f的一端连接，运放U₁的同相输入端接地，运放U₁的输出端与电阻R_f的另一端、第一乘法器U₂的第二输入端口、第二乘法器U₃的第二输入端口连接，第一乘法器U₂的输出端与电阻R₁的一端连接，电阻R₁的另一端分别与运放U₄的反向输入端和电阻R₂的一端连接，运放U₄的同相输入端接地，运放U₄的输出端与电阻R₂的另一端以及电阻R₅的一端连接，电阻R₅的另一端分别与电容C₁的一端以及第二电子开关的第一输入端口连接，电容C₁的另一端接地，第二乘法器U₃的输出端与电阻R₃的一端连接，电阻R₃的另一端分别与运放U₅的反向输入端和电阻R₄的一端连接，运放U₅的同相输入端接地，运放U₅的输出端与电阻R₄的另一端以及电阻R₆的一端连接，电阻R₆的另一端分别与电容C₂的一端以及第二电子开关的第二输入端口连接，电容C₂的另一端接地，第二电子开关的第三端口与数据总线连接，第一电子开关的控制端口和第二电子开关的控制端口分别与通用逻辑阵列的输出端口连接，通用逻辑阵列的输入端口与控制总线连接，控制总线上的控制信号利用通用逻辑阵列控制第一电子开关和第二电子开关的开关状态。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置，其特征在于所述的多个矩形金属电极(3)为12个矩形金属电极(3)，多个相敏解调单元(4)为12个相敏解调单元(4)。

3.一种使用如权利要求2所述装置的非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量方法，其特征在于：非接触式一体化电容/电阻双模态系统的12个矩形金属电极(3)中任意两电极之间的等效电容和等效电阻是通过相敏解调方式测量的；首先将第一相敏解调单元作为激励端，其余十一个相敏解调单元依次作为检测端，先测量第一相敏解调单元对应电极和第二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻，当绝缘管道(2)内多相流体连续相为非导电流体时，传感器(1)工作在电容层析成像模态，12个矩形金属电极(3)中任意两电极之间会形成耦合电容；当绝缘管道(2)内多相流体连续相为导电流体时，传感器(1)工作在电阻层析成像模态，12个矩形金属电极(3)中任意一个电极与绝缘管道(2)内导电流体之间都会形成耦合电容，故无论传感器(1)工作在电容层析成像模态还是电阻层析成像模态，都会形成耦合电容，能将直接数字式频率合成器单元(5)第一端口输出的0°正弦电压信号V_ref0经激励端耦合到绝缘管道(2)内，0°正弦电压信号V_ref0流经装载有多相流体的绝缘管道(2)后形成电流信号，传递到作为检测端的第二相敏解调单元上，在第二相敏解调单元上先经过电流/电压转换电路转换成电压信号V_out，V_out分别与直接数字式频率合成器单元(5)产生的同频的0°正弦电压信号V_ref0和90°正弦电压信号V_ref90进行相敏解调运算，测量第二相敏解调单元的第一低通滤波电路输出端的直流电压V₀和第二低通滤波电路输出端的直流电压V₉₀，用如下公式计算第一相敏解调单元对应电极和第二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻：

$C_x=\frac{2{\left(\frac{V_0{R}_1}{{\mathrm{AR}}_2}\right)}^2+2{\left(\frac{V_{90}{R}_3}{{\mathrm{BR}}_4}\right)}^2}{\left(\frac{{\mathrm{\ωR}}_{f}A{V}_{90}{R}_3}{{\mathrm{NR}}_4}\right)}$

$R_x=\frac{{0.5V}_0{R}_f{R}_1/R_2}{{\left(\frac{V_0{R}_1}{{\mathrm{AR}}_2}\right)}^2+{\left(\frac{V_{90}{R}_3}{{\mathrm{BR}}_4}\right)}^2}$

其中A、B分别是同频的0°正弦电压信号V_ref0和90°正弦电压信号V_ref90的幅值，ω是同频的正弦电压信号V_ref0和正弦电压信号V_ref90的角频率；依次测量第一相敏解调单元对应电极和第三相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻……第一相敏解调单元对应电极和第十二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻；然后以第二相敏解调单元为激励端，第三到第十二相敏解调单元依次为检测端，依次测量第二相敏解调单元对应电极和第三相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻……第二相敏解调单元对应电极和第十二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻；以此类推，最后测量第十一相敏解调单元对应电极和第十二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻；总共得到66组等效电容和等效电阻值，利用这66组等效电容和等效电阻值，在图像重建计算机(8)上重建出绝缘管道截面上被测流体介电常数分布和电导率分布的图像。