CN111413376B - 同面阵列电容传感器成像方法 - Google Patents

Abstract

本申请适用于无损检测技术领域，提供了一种同面阵列电容传感器成像方法，上述同面阵列电容传感器成像方法包括：建立电容传感器和待测物体的三维模型，在三维模型中确定求解区域，并将求解区域划分成有限个求解单元；分别对电容传感器上的每组电极施加循环的点电压激励信号，并计算求解区域的原始敏感场；获取每个求解单元的中心坐标和所有电极对的相对点坐标，并根据求解单元的中心坐标和电极对的相对点坐标确定抗噪声算子；根据原始敏感场和抗噪声算子确定优化敏感场；根据优化敏感场确定介电常数分布矩阵，并以介电常数分布矩阵为灰度值进行成像。上述方法可以解决同面阵列电容传感器成像时噪声影响成像效果的问题。

Description

同面阵列电容传感器成像方法

技术领域

本申请属于无损检测技术领域，尤其涉及一种同面阵列电容传感器成像方法。

背景技术

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，简称ECT)技术根据物质介电常数分布不同会导致电极对间电容值发生变化，通过测量电容数据反推出物质介电常数分布情况，达到无损检测的作用，其由于非侵入性、响应快速、测量精度高等优势，近年来广泛应用于工业管道多相流监测等领域，其电极布置主要是圆周式。

传统ECT技术中经计算得到灵敏度场后与采集的电容值求取介电常数分布矩阵，以介电常数分布矩阵为灰度值进行成像，以此表征被测物的介电常数分布变化。由于介电常数分布矩阵的求解是非适定性问题，求解的过程时病态的，一点的微小误差都会引起最终结果出现较大的偏差，也会导致图像重建中出现较大的错误。

由此发展而来的同面阵列电极传感成像技术不仅具有传统ECT技术的特点，而且还具有自身的几何优势，在被测物场几何空间受限的情况下可从单一方向对被测物进行检测，在复合材料的无损检测等方面具有巨大的发展前景。但是同面阵列电极传感成像技术相比圆周式电容成像技术，被测物的介电常数远远小于管道内多相流体的介电常数，导致实验测得的电容数值十分微小，测量精度较低；测量域的开放性不可避免地会引入测量电容的误差，导致后续成像效果不佳。

发明内容

本申请实施例提供了一种同面阵列电容传感器成像方法，可以解决同面阵列电容传感器成像时噪声影响成像效果的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种同面阵列电容传感器成像方法，包括：

建立电容传感器和待测物体的三维模型，在所述三维模型中确定求解区域，并将所述求解区域划分成有限个求解单元；

分别对所述电容传感器上的每组电极施加循环的点电压激励信号，并计算所述求解区域的原始敏感场；

获取每个所述求解单元的中心坐标和所有电极对的相对点坐标，并根据所述求解单元的中心坐标和所述电极对的相对点坐标确定抗噪声算子；

根据所述原始敏感场和所述抗噪声算子确定优化敏感场；

根据所述优化敏感场确定介电常数分布矩阵，并以所述介电常数分布矩阵为灰度值进行成像。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述将所述求解区域划分成有限个求解单元，包括：

根据电磁场理论，以所述电容传感器电极阵列的中心为中心建立两个半径不同的球体，将所述三维模型划分为四部分，包括求解区域、近场区域、远场区域和无穷远区域；

采用三角划分的方式将所述待测物体划分成有限个求解单元。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述原始敏感场的计算公式为：

其中，S_i,j(x,y)为对第i-j号电极对施加激励时在(x,y)处的灵敏度；E_i(x,y)为第i号电极施加电压激励时在(x,y)处的电场强度；E_j(x,y)为对第j号电极施加电压激励时在(x,y)处的电场强度；V_i为施加在第i号电极上的电压；V_j为施加在第j号电极上的电压；p(x,y)为求解区域。

在第一方面的一种可能的实现方式中，根据所述求解单元的中心坐标和所述电极对的相对点坐标确定抗噪声算子，包括：

根据所述求解单元的中心坐标和所述电极对的相对点坐标确定所述原始敏感场的优化系数矩阵；

对所述优化系数矩阵进行归一化处理，确定所述抗噪声算子。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述优化系数矩阵的计算公式为：

所述抗噪声算子的计算公式为：

其中，M_i,j(e)为所述抗噪声算子，m_i,j(e)为第i-j号电极对对于求解单元e的重建系数，(x_e,y_e,z_e)为求解单元e的中心点坐标，

和

分别为第i-j号电极对的两个敏感场的中心点坐标。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述优化敏感场的计算公式为：

S₀＝S*M

其中，S₀为优化敏感场，S为原始敏感场，M为抗噪声算子。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述介电常数分布矩阵计算公式为：

式中，G为介电常数分布矩阵，S₀为优化敏感场，C为测量电容矩阵。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请实施例中，首先建立电容传感器和待测物体的三维模型，在三维模型中确定求解区域，并将求解区域划分成有限个求解单元；分别对电容传感器上的每组电极施加循环的点电压激励信号，并计算求解区域的原始敏感场；获取每个求解单元的中心坐标和所有电极对的相对点坐标，并根据求解单元的中心坐标和电极对的相对点坐标确定抗噪声算子；根据原始敏感场和抗噪声算子确定优化敏感场；根据优化敏感场确定介电常数分布矩阵，并以介电常数分布矩阵为灰度值进行成像。通过抗噪声算子对敏感场进行优化，提高同面阵列电容传感器成像抗噪声能力，进而提高成像的质量、精度和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的同面阵列电容传感器成像方法的流程示意图；

图2是本申请一实施例提供的电容传感器三维模型图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

图1示出了本申请实施例提供的同面阵列电容传感器成像方法的流程示意图，同面阵列电容传感器成像方法可以包括：

S101，建立电容传感器和待测物体的三维模型，在三维模型中确定求解区域，并将求解区域划分成有限个求解单元。

具体地，对电容传感器以及待测物体按照实际尺寸建立三维模型，同面阵列电容传感器在工作环境下形成的电场为“似稳场”，符合ANSYS中静电场的仿真分析条件，节采用ANSYS软件对敏感场进行三维仿真建模，求解灵敏度矩阵。

示例性的，如图2所示，采用的电容传感器的电极排布为4行3列，共有12个电容极板，该电容传感器包括电容极板30、壳体10和屏蔽20，在ANSYS软件中按照电容传感器的实际尺寸建立三维模型，其排列方式与实际排列方式相同，均为4行3列，电极的厚度为0.1mm，由于极间屏蔽20和四周屏蔽20材料属性相同，所以在建模过程中直接将屏蔽20搭接成一个整体。此外，还需要在电极背面添加背部屏蔽20来防止电场能量的损失，传感器壳体10在建模过程中搭接在一起，并对其赋予相对介电常数数值为2.0的材料属性。

根据电磁场理论，以传感器电极阵列的中心为中心建立两个半径不同的球体，将整个三维模型分为四部分，包括求解区域、近场区域、远场区域、以及无穷远。建立电容传感器的三维模型后，根据实际需要建立相应尺寸的被测物体模型，然后根据电磁场理论，需要建立两个半径不同的球体将整个三维空间分为四部分，其中被测物体及传感器为求解区域，半径较小的球体内除去求解区域后的剩余空间为近场区域，较大半径球体与较小半径球体的中间区域为远场区域，此外，需要在较大半径球体的外表面添加远场标志，将较大半径球体外部区域设定为无穷远，采用三角自由划分对求解区域划分成为有限个求解单元，完成同面阵列电容传感器以及被测物体敏感场建模。

S102，分别对电容传感器上的每组电极施加循环的点电压激励信号，并计算求解区域的原始敏感场。

具体地，经过步骤S101对求解单元划分完成后，在传感器极板上施加循环的点电压激励，并将远场边界的电势设置为0，计算原始节点的电压值，经转换后变为节点的电场强度，计算得到原始敏感场的灵敏度矩阵。

示例性的，原始敏感场的计算公式为：

其中，S_i,j(x,y)为对第i-j号电极对施加激励时在(x,y)处的灵敏度；E_i(x,y)为第i号电极施加电压激励时在(x,y)处的电场强度；E_j(x,y)为对第j号电极施加电压激励时在(x,y)处的电场强度；V_i为施加在第i号电极上的电压；V_j为施加在第j号电极上的电压；p(x,y)为求解区域。

S103，获取每个求解单元的中心坐标和所有电极对的相对点坐标，并根据求解单元的中心坐标和电极对的相对点坐标确定抗噪声算子。

示例性的，抗噪声算子的求解方法包括：

S1031，根据求解单元的中心坐标和电极对的相对点坐标确定原始敏感场的优化系数矩阵。

示例性的，优化系数矩阵的计算公式为：

其中，m_i,j(e)为第i-j号电极对对于求解单元e的重建系数，(x_e,y_e,z_e)为求解单元e的中心点坐标，

和

分别为第i-j号电极对的两个敏感场的中心点坐标。

需要说明的是，

和

分别为第i-j号电极对的敏感场中两个波峰值的坐标。对于边相对的电极对，

和

分别为矩形极板两条相对边的中点；对于顶点相对的电极对，

和

分别为矩形极板的两个相对顶点。

S1032，对优化系数矩阵进行归一化处理，确定抗噪声算子。

抗噪声算子的计算公式为：

其中，M_i,j(e)为抗噪声算子，m_i,j(e)为第i-j号电极对对于求解单元e的重建系数。

S104，根据原始敏感场和抗噪声算子确定优化敏感场。

具体地，优化敏感场的计算公式为：

S₀＝S*M

其中，S₀为优化敏感场，S为原始敏感场，M为抗噪声算子。

S105，根据优化敏感场确定介电常数分布矩阵，并以介电常数分布矩阵为灰度值进行成像。

具体地，介电常数分布矩阵计算公式为：

式中，G为介电常数分布矩阵，S₀为优化敏感场，C为测量电容矩阵。

本申请实施例提供的同面阵列电容传感器成像方法，对于不同的同面阵列电极传感器及不同的敏感场划分方法，针对性的计算抗噪算子，然后通过抗噪算子对原始敏感场进行优化得到优化敏感场，并利用优化敏感场求解介电常数分布矩阵，最终利用介电常数分布矩阵为灰度值进行成像。该方法能有效减少信噪比差的电容在图像重建过程中的贡献度，提高信噪比好的电容在图像重建过程中的贡献度，进而改善了重建图像质量，提高了连续测量时重建图像的稳定性。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种同面阵列电容传感器成像方法，其特征在于，包括：

建立电容传感器和待测物体的三维模型，在所述三维模型中确定求解区域，并将所述求解区域划分成有限个求解单元；

分别对所述电容传感器上的每组电极施加循环的点电压激励信号，并计算所述求解区域的原始敏感场；

获取每个所述求解单元的中心坐标和所有电极对的相对点坐标，并根据所述求解单元的中心坐标和所述电极对的相对点坐标确定抗噪声算子；

根据所述原始敏感场和所述抗噪声算子确定优化敏感场；

根据所述优化敏感场确定介电常数分布矩阵，并以所述介电常数分布矩阵为灰度值进行成像；

根据所述求解单元的中心坐标和所述电极对的相对点坐标确定抗噪声算子，包括：

根据所述求解单元的中心坐标和所述电极对的相对点坐标确定所述原始敏感场的优化系数矩阵；

对所述优化系数矩阵进行归一化处理，确定所述抗噪声算子；

所述优化系数矩阵的计算公式为：

所述抗噪声算子的计算公式为：

其中，M_i，j(e)为所述抗噪声算子，m_i，j(e)为第i-j号电极对对于求解单元e的重建系数，(x_e，y_e，z_e)为求解单元e的中心点坐标，

和

分别为第i-j号电极对的两个敏感场的中心点坐标。

2.根据权利要求1所述的同面阵列电容传感器成像方法，其特征在于，所述将所述求解区域划分成有限个求解单元，包括：

根据电磁场理论，以所述电容传感器电极阵列的中心为中心建立两个半径不同的球体，将所述三维模型划分为四部分，包括求解区域、近场区域、远场区域和无穷远区域；

采用三角划分的方式将所述待测物体划分成有限个求解单元。

3.根据权利要求1所述的同面阵列电容传感器成像方法，其特征在于，所述原始敏感场的计算公式为：

其中，S_i，j(x，y)为对第i-j号电极对施加激励时在(x，y)处的灵敏度；E_i(x，y)为第i号电极施加电压激励时在(x，y)处的电场强度；E_j(x，y)为对第j号电极施加电压激励时在(x，y)处的电场强度；V_i为施加在第i号电极上的电压；V_j为施加在第j号电极上的电压；p(x，y)为求解区域。

4.根据权利要求1所述的同面阵列电容传感器成像方法，其特征在于，所述优化敏感场的计算公式为：

S₀＝S*M

其中，S₀为优化敏感场，S为原始敏感场，M为抗噪声算子。

5.根据权利要求1所述的同面阵列电容传感器成像方法，其特征在于，所述介电常数分布矩阵计算公式为：

式中，G为介电常数分布矩阵，S₀为优化敏感场，C为测量电容矩阵。

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