CN107764873A - 一种电容层析成像系统及其成像方法 - Google Patents

一种电容层析成像系统及其成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电容层析成像系统，包括安装在管道外壁上的屏蔽罩，用于屏蔽外部干扰信号；测量电极，螺旋排布在屏蔽罩内，用于采集测量电极之间的电容值；差分电极，排布在测量电极的外侧，用于产生反向激励信号；测量电极与其对应的差分电极之间连接有差分信号检测机构；保护电极，排布在每个测量电极的两侧，每个测量电极对应的保护电极的连线与各个测量电极组成的螺旋线相互垂直；保护电极连接有滤波机构；信号采集机构，用于采集测量电极上的电容值信号以及差分信号检测机构和滤波机构的输出电压值；成像处理机构，根据信号采集机构采集到的信号进行图像合成。本发明能够改进现有技术的不足，提高了成像系统对于外界干扰的抗干扰能力。

Description

一种电容层析成像系统及其成像方法
技术领域
本发明涉及电容层析成像技术领域，尤其是一种电容层析成像系统及其成像方法。
背景技术
电容层析成像是一种利用贴于管道外壁的阵列电极之间的测量电容值变化与被测介质介电常数分布之间的关系重建介质介电常数分布图像的成像方法，属于非侵入式测量，在很多行业中得到了广泛的应用。中国发明专利CN104569083B公开了一种差分式电容层析成像传感器，利用差分原理提高测量精确度。但是，这种成像传感器依然采用现有技术中通过设置屏蔽层和保护电极来消除外界干扰的方式，对于外界干扰的消除效果有限，成为了进一步提高电容层析成像精度的瓶颈。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电容层析成像系统及其成像方法，能够解决现有技术的不足，提高了成像系统对于外界干扰的抗干扰能力。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种电容层析成像系统，包括，
安装在管道外壁上的屏蔽罩，用于屏蔽外部干扰信号；
测量电极，螺旋排布在屏蔽罩内，用于采集测量电极之间的电容值；
差分电极，排布在测量电极的外侧，用于产生反向激励信号；
测量电极与其对应的差分电极之间连接有差分信号检测机构；
保护电极，排布在每个测量电极的两侧，每个测量电极对应的保护电极的连线与各个测量电极组成的螺旋线相互垂直；保护电极连接有滤波机构；
信号采集机构，用于采集测量电极上的电容值信号以及差分信号检测机构和滤波机构的输出电压值；
成像处理机构，根据信号采集机构采集到的信号进行图像合成。
作为优选，所述相邻两个测量电极的轴向夹角为5.5°。
作为优选，所述保护电极与对应的测量电极的距离与相邻测量电极的距离之比为3:2。
一种上述的电容层析成像系统的成像方法，包括以下步骤：
A、以流体流动方向的反方向为顺序，依次对测量电极和其对应的差分电极分别施加正向激励信号和反向激励信号，正向激励信号和反向激励信号保持同步；
B、信号采集机构分别采集测量电极上的电容值信号以及差分信号检测机构和滤波机构的输出电压值，并传送至成像处理机构；
C、成像处理机构使用转换函数将电容值信号转化为灰度信号，并将灰度信号进行组合，形成灰度图像；
D、将灰度图像进行傅里叶分解，根据滤波机构输出电压值的变化量对分解后的图像分量进行替换处理；
E、将通过步骤D处理后的图像分量进行傅里叶反变换，重新合成灰度图像，根据差分信号检测机构输出电压值的时域曲线，对灰度图像进行时域上的平移或拼接。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明通过改进传感器电极的布置方式和对于电容信号的采集方式，改善了成像处理机构生成图像的准确性，然后通过对原始图像的进一步去噪处理，可以降低由外界干扰引起的图像畸变，从而提高成像系统对于外界干扰的抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的结构图。
图2是本发明一个具体实施方式中差分信号检测机构的结构图。
图3是本发明一个具体实施方式中滤波机构的结构图。
具体实施方式
参照图1-3，本发明一个具体实施方式包括，
安装在管道6外壁上的屏蔽罩1，用于屏蔽外部干扰信号；
测量电极2，螺旋排布在屏蔽罩1内，用于采集测量电极2之间的电容值；
差分电极3，排布在测量电极2的外侧，用于产生反向激励信号；
测量电极2与其对应的差分电极3之间连接有差分信号检测机构4；
保护电极5，排布在每个测量电极2的两侧，每个测量电极2对应的保护电极5的连线与各个测量电极2组成的螺旋线相互垂直；保护电极5连接有滤波机构7；
信号采集机构8，用于采集测量电极2上的电容值信号以及差分信号检测机构4和滤波机构7的输出电压值；
成像处理机构9，根据信号采集机构8采集到的信号进行图像合成。
相邻两个测量电极2的轴向夹角为5.5°。
保护电极5与对应的测量电极2的距离与相邻测量电极2的距离之比为3:2。
差分信号检测机构4通过捕捉差分信号的同步偏差度，为成像处理机构9提供差分信号的动态漂移检测值。
滤波机构7经过接地滤波，对保护电极5上出现的正常频率信号进行过滤，为成像处理机构9提供激励信号中出现的非正常频率信号的检测值。
一种上述的电容层析成像系统的成像方法，包括以下步骤：
A、以流体流动方向的反方向为顺序，依次对测量电极2和其对应的差分电极3分别施加正向激励信号和反向激励信号，正向激励信号和反向激励信号保持同步；
B、信号采集机构8分别采集测量电极2上的电容值信号以及差分信号检测机构4和滤波机构7的输出电压值，并传送至成像处理机构9；
C、成像处理机构9使用转换函数将电容值信号转化为灰度信号，并将灰度信号进行组合，形成灰度图像；
D、将灰度图像进行傅里叶分解，根据滤波机构7输出电压值的变化量对分解后的图像分量进行替换处理；
E、将通过步骤D处理后的图像分量进行傅里叶反变换，重新合成灰度图像，根据差分信号检测机构4输出电压值的时域曲线，对灰度图像进行时域上的平移或拼接。
步骤A中，激励信号的时长为0.3ms，相邻测量电极2上的激励信号施加时间间隔为0.2ms。
步骤C中，转换函数为，
其中，G为图像灰度、c为电容值、c1为电容值区间最小值、c2为电容值区间最大值，即当电容值位于c1和c2之间时，使用作为转换目标。
步骤D中，将与滤波机构7输出信号相同频率的图像分量进行删除，然后使用其倍频频率的图像分量对其进行替代。
步骤E中，对比差分信号检测机构4输出信号和重新合成灰度图像在时域上的变化率，通过平移或拼接对重新合成灰度图像进行处理，使其在时域上的变化率与差分信号检测机构4输出信号在时域上的变化率保持同步。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种电容层析成像系统，其特征在于：包括，
安装在管道(6)外壁上的屏蔽罩(1)，用于屏蔽外部干扰信号；
测量电极(2)，螺旋排布在屏蔽罩(1)内，用于采集测量电极(2)之间的电容值；
差分电极(3)，排布在测量电极(2)的外侧，用于产生反向激励信号；
测量电极(2)与其对应的差分电极(3)之间连接有差分信号检测机构(4)；
保护电极(5)，排布在每个测量电极(2)的两侧，每个测量电极(2)对应的保护电极(5)的连线与各个测量电极(2)组成的螺旋线相互垂直；保护电极(5)连接有滤波机构(7)；
信号采集机构(8)，用于采集测量电极(2)上的电容值信号以及差分信号检测机构(4)和滤波机构(7)的输出电压值；
成像处理机构(9)，根据信号采集机构(8)采集到的信号进行图像合成。
2.根据权利要求1所述的电容层析成像系统，其特征在于：相邻两个测量电极(2)的轴向夹角为5.5°。
3.根据权利要求2所述的电容层析成像系统，其特征在于：所述保护电极(5)与对应的测量电极(2)的距离与相邻测量电极(2)的距离之比为3:2。
4.一种根据权利要求1-3任意一项所述的电容层析成像系统的成像方法，其特征在于包括以下步骤：
A、以流体流动方向的反方向为顺序，依次对测量电极(2)和其对应的差分电极(3)分别施加正向激励信号和反向激励信号，正向激励信号和反向激励信号保持同步；
B、信号采集机构(8)分别采集测量电极(2)上的电容值信号以及差分信号检测机构(4)和滤波机构(7)的输出电压值，并传送至成像处理机构(9)；
C、成像处理机构(9)使用转换函数将电容值信号转化为灰度信号，并将灰度信号进行组合，形成灰度图像；
D、将灰度图像进行傅里叶分解，根据滤波机构(7)输出电压值的变化量对分解后的图像分量进行替换处理；
E、将通过步骤D处理后的图像分量进行傅里叶反变换，重新合成灰度图像，根据差分信号检测机构(4)输出电压值的时域曲线，对灰度图像进行时域上的平移或拼接。
5.根据权利要求4所述的电容层析成像系统的成像方法，其特征在于：步骤A中，激励信号的时长为0.3ms，相邻测量电极(2)上的激励信号施加时间间隔为0.2ms。
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