CN114062433B - 一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片 - Google Patents

一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片,属于芯片这一技术领域；其技术要点在于EIT电极的布置：(1)所述EIT电极呈螺旋线分布设置在管道的内表面，所述螺旋线的螺距为L；(2)EIS电极在管道的内表面上呈2个线分布；所述线分布为EIS电极沿着管道的轴向方向延伸布置呈一直线，每个线分布中的相邻的EIS电极之间的间距相同且为d；2个线分布在管道的相位分布角为180°，2个线分布的EIS电极沿着管道方向交叉分布。本发明旨在提供一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，满足测量精度。

Description

一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片
技术领域
本发明涉及芯片这一技术领域，更具体地说，尤其涉及一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片。
背景技术
在管道中进行流体中单个粒子的位置跟踪，可以分析其运动特性，研究其物理性质，为控制系统提供反馈信息等。当前，通常采用计算机视觉的方法进行位置跟踪，但当单个粒子处于低透明度的管道中时，这种测量方法比较困难。
近年来，电阻抗层析成像(Electrical Impedance Spectroscopy,EIT)作为一种电阻抗技术，其目的是重建测量场中的电导率分布或电导率变化。与计算机视觉方法不同，电阻抗技术测量简单，应用范围广，适用于流体中单个粒子位置追踪，因而该技术被广泛应用于位置检测这一技术领域中。
电阻抗技术以其无标记、无创、低成本等特点被广泛应用于粒子测量领域。
例如：
文献1：KR101576171B1利用振动的电阻抗层析成像技术；
文献2：KR20100122752A断层扫描图像处理装置。
上述文献对于单个粒子，均是通过重建电导率分布可实现其横截面上位置的测量；但是，申请人在实际试验中发现：该方法的测量精度不高。
因此，如何提高测量精度，是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，即解决管道内单个粒子的精确追踪问题，提供一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，并搭载EIS与EIT互相协同的精确定位方法。
本申请的技术方案是：
一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，包括：若干个EIT电极、若干个EIS电极；
所述EIT电极的布置：所述EIT电极呈螺旋线分布设置在管道的内表面，所述螺旋线的螺距为L；
所述EIS电极的布置：EIS电极在管道的内表面上呈2个线分布；所述线分布为EIS电极沿着管道的轴向方向延伸布置呈一直线，每个线分布中的相邻的EIS电极之间的间距相同且为d；2个线分布在管道的相位分布角为180°，2个线分布的EIS电极沿着管道方向交叉分布。
进一步，每一个螺距内等距分布相同数量的EIT电极。
进一步，所述EIT电极与所述EIS电极布置的关系是：d＝L。
进一步，每一个螺距内相邻的EIT电极在x轴的距离为L/n，n为偶数，EIS电极的所述每个线分布的相邻的EIS电极的中部位置处布置有EIT电极。
进一步，n为8或16或32。
进一步地，EIS电极用于初次定位粒子在水平方向的坐标(对应的要求在于：EIS电极在管道的内表面上呈2个线分布；线分布中的相邻的EIS电极之间的间距相同且为d，2个线分布在管道的相位分布角为180°，2个线分布的EIS电极沿着管道方向交叉分布)，具体而言，采用管道轴向方向上最邻近EIS电极激励-测量的方式来初次定位粒子在水平方向的坐标。
进一步地，根据粒子水平方向的坐标选择一个螺距内的所有电极进行激励和测量(对应的要求是：所述EIT电极呈螺旋线分布设置在管道的内表面，所述螺旋线的螺距为L，每一个螺距内等距分布相同数量的EIT电极)，用相邻激励-相邻测量的方式进行EIT检测，从而进行横截面粒子的精确定位。
进一步地，根据测得的粒子的横截面位置，修正粒子的在水平方向的坐标(对应的要求是：所述EIT电极与所述EIS电极布置的关系是：d＝L，每一个螺距内相邻的EIT电极在x轴的距离为L/n，n为8或16或32；EIS电极的所述每个线分布的相邻的EIS电极的中部位置处布置有EIT电极)。
一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，包括：若干个EIT电极、若干个EIS电极；
所述EIT电极的布置：所述EIT电极呈螺旋线分布设置在管道的内表面，每一个螺距内等距分布固定数量的电极；
所述EIS电极的布置：EIS电极在管道的内表面上呈2个线分布：u分布与v分布；所述线分布为EIS电极沿着管道的轴向方向延伸布置呈一直线，2个线分布在管道的相位分布角为180°；
定义xyz轴：以管道的轴向方向为x轴；y轴与z轴形成的平面为管道的横截面，所述EIS电极的1个线分布指向另一个线分布的方向为y轴，z轴为与x轴、y轴均垂直；
满足：
uix-ui-1x＝d；
vix-vi-1x＝d；
vix-uix＝ui+1x-vix＝d/2；
其中，vix、vi-1x为v分布上第i个、第i-1个的x坐标，uix、ui+1x分别为u分布第i个、第i+1个的x坐标；d为参数。
EIT电极与所述EIS电极布置的关系是：所述EIT电极布置的螺旋线的螺距L也为d，EIS电极的所述每个线分布的相邻的EIS电极的中部位置处布置有EIT电极(即沿着一个EIS电极的线分布的方向而言，其呈现：“EIS电极-EIT电极-EIS电极-EIT电极-”……的分布情况)。
进一步，EIS电极用于初次定位粒子在水平方向的坐标，采用管道轴向方向上最邻近EIS电极激励-测量的方式来初次定位粒子在水平方向的坐标。
进一步，根据粒子水平方向的坐标选择一个螺距内的所有电极进行激励和测量，用相邻激励-相邻测量的方式进行EIT检测，从而进行横截面粒子的精确定位。
进一步，根据测得的粒子的横截面位置，修正粒子的在水平方向的坐标。
一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片的测量方法，包括如下步骤：
首先，根据EIS电极初次定位粒子在水平方向的坐标：采用x轴上最邻近EIS电极激励-测量的方式进行激励测量，初次确定粒子在x方向的坐标；
其次，根据粒子在水平方向的坐标，选择一个螺距内的所有EIT电极进行成像，从而实现粒子在管道横截面位置的精确定位，即确定粒子在y方向和z方向的坐标；
最后，根据测得的粒子的横截面位置，即粒子的y坐标和z坐标，进一步修正粒子的在水平方向的坐标，即粒子的x坐标，从而实现管道内粒子的精确定位。
本申请的有益效果在于：
1)本申请设计一种适用于管道内粒子定位的电阻抗检测芯片，它结合电阻抗成像(EIT)与电阻抗谱(EIS)方法的优势，实现管道内粒子的精确定位，这种方法是一种非侵入、免标记的快速检测方法，并且检测精度高。
2)本申请的第一个发明点在于：提出了EIT电极与EIS电极的分布设置；本申请的第二个发明点在于：一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片的测量方法。EIT电极与EIS电极的分布设置与测量方法相辅相成，即本申请的测量方法依赖于本申请的检测芯片。
具体而言：
EIS电极用于初次定位粒子在水平方向的坐标，对应的要求在于：EIS电极在管道的内表面上呈2个线分布；线分布中的相邻的EIS电极之间的间距相同且为d，2个线分布在管道的相位分布角为180°，2个线分布的EIS电极沿着管道方向交叉分布)；
根据粒子水平方向的坐标选择一个螺距内的所有电极进行激励和测量，对应的要求是：所述EIT电极呈螺旋线分布设置在管道的内表面，所述螺旋线的螺距为L，每一个螺距内等距分布相同数量的EIT电极；
根据测得的粒子的横截面位置，修正粒子的在水平方向的坐标，对应的要求是：所述EIT电极与所述EIS电极布置的关系是：d＝L，每一个螺距内相邻的EIT电极在x轴的距离为L/n，n为8或16或32；EIS电极的所述每个线分布的相邻的EIS电极的中部位置处布置有EIT电极。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1是本申请的适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片的三维示意图。
图2是本申请的适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片的纵向示意图。
图3是本申请的适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片的断面示意图。
附图标记说明如下：
1-EIT电极，2-EIS电极，3-粒子，4-管道。
具体实施方式
实施例1
本申请的研发目的是提供一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，并搭载EIS与EIT互相协同的精确定位方法。
实施例1主要介绍电阻抗检测芯片的硬件设计。
如图1-3所示：xyz轴定义如下：以管道4的轴向方向为x轴；y轴与z轴形成的平面为管道的横截面，所述EIS电极的1个线分布指向另一个线分布的方向为y轴，z轴为与x轴、y轴均垂直。
一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，包括：EIT电极1、EIS电极2。
EIS电极2的布置：EIS电极在管道的上下侧(上侧为一线分布，下侧为一线分布)均匀分布，即图2中的u1、u2、u3、u4、u5为上侧的线分布、v1、v2、v3、v4、v5为下侧的线分布；
从图1-2可知：所述EIS电极上下电极沿着管道的轴向方向呈交叉分布，即vix＝0.5*(uix、ui+1x),uix＝0.5*(vi-1x、vix)，vix、vi-1x为vi、vi-1的x坐标，uix、ui+1x分别为ui、ui+1的x坐标。
更严谨的表达在于：
uix-ui-1x＝d，vix-vi-1x＝d,vix-uix＝ui+1x-vix＝d/2；d表示EIS电极的线分布的相邻EIS电极的间距。
EIT电极1的布置：EIT电极呈螺旋线均匀布置在管道的内表面，每一个螺距内等距分布固定数量的电极(图形横截面s1及s2分别展示一个螺距内的EIT电极分布情况)。
EIS电极2与EIT电极1的关系为：所述EIT电极布置的螺旋线的螺距L＝d。
实施例2
本实施例在前述实施例1的基础上进行，主要介绍电阻抗检测芯片的软件设计，即上述硬件的工作原理及工作方法。
本申请的一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片的测量方法，包括如下步骤：
首先，根据EIS电极初次定位粒子在水平方向的坐标，采用最邻近上下电极激励-测量的方式，如选择u1-v1、u2-v1、u2-v2等进行激励测量，初次确定粒子在x方向的坐标；
其次，根据粒子在水平方向的坐标，选择一个螺距内的所有电极进行激励和测量，用相邻激励-相邻测量的方式进行EIT检测。如当粒子在s1范围内时，选择s1范围内的EIT电极进行成像，当粒子在s2范围内时，选择s2范围内的EIT电极进行成像。从而实现横截面粒子的精确定位，即确定粒子在y方向和z方向的坐标；
最后，根据测得的粒子的横截面位置，即粒子的y坐标和z坐标，进一步修正粒子的在水平方向的坐标，即粒子的x坐标，从而实现管道内粒子的精确定位。
更具体的，一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片的测量方法，包括如下步骤进行测量：
首先，根据EIS电极初次定位粒子在水平方向的坐标：“采用最邻近上下电极激励-测量的方式，如选择u1-v1、u2-v1、u2-v2等进行激励测量，初次确定粒子在x方向的坐标”；
具体而言，首先标定粒子的坐标与最邻近EIS电极对的阻抗值的关系：x轴上阻抗值变化最大的两个电极为最临近电极，具体为管道上下两侧呈线分布的EIS电极中各选两个；采用x轴上最邻近EIS电极激励-测量的方式进行激励测量，通过多组x，Ei,Ej建立拟合公式：
x＝f(Ei,Ej) (1)
其中:x分别是粒子的x向坐标，Ei,Ej是最邻近EIS电极对的阻抗值，f为拟合公式；
然后，在实际测量时，只要测量最邻近EIS电极对的阻抗值即可确定粒子在x方向的坐标(即式1已知时，测量Ei,Ej即可确定x)；
其次，根据粒子在水平方向的坐标，选择一个螺距内的所有EIT电极进行成像，具体使用相邻激励-相邻测量的方式，对螺距以内的电极进行循环激励和测量，求解逆问题，从而实现粒子在管道横截面位置的精确定位，即确定粒子在y方向和z方向的坐标，逆问题的采用差分的求解方法；
已知量为：ΔV0、ΔV1、S，具体而言，ΔV0、ΔV1通过测量得到；S是y轴与z轴组成平面的敏感矩阵，预先根据电学仿真得出；
未知量为：y，z(即粒子在y轴与z轴的坐标)；
S1,求解向量ΔV
ΔV＝ΔV1-ΔV0
ΔV0及ΔV1均为向量，向量元素分别为没有粒子通过与粒子通过两个状态下一个螺距内相邻EIT电极的电压差值，通过测量每个EIT电极上的电压并做运算得出；
S2，利用argmin函数，求解电导率分布向量Δσ：
其中，λ是正则化系数，取值范围一般为0.001-0.05；R表示正则化表达式。
S3,根据求得的Δσ的值，采用图像处理的方法求解粒子在y轴与z轴的坐标(Δσ可以直接体现粒子的y、z坐标，Δσ成像后，用肉眼都可以看出粒子的y，z坐标)。
最后，根据测得的粒子的横截面位置，即粒子的y坐标和z坐标，修正粒子的在水平方向的坐标，即粒子的x坐标，从而实现管道内粒子的精确定位；具体为通过经验公式进行修正，如下所示：
x＝(1-α)f(Ei,Ej)+αg(Ei,Ej,y,z) (5)
其中:α为修正系数(一般取0-1),g为拟合公式；
g(zi,zj,y,z)是通过多次实验根据实验结果进行拟合而得到(即其在正式应用前事先可知)。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (9)

1.一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，其特征在于，包括：若干个EIT电极、若干个EIS电极；
所述EIT电极的布置：所述EIT电极呈螺旋线分布设置在管道的内表面，所述螺旋线的螺距为L；
所述EIS电极的布置：EIS电极在管道的内表面上呈2个线分布；所述线分布为EIS电极沿着管道的轴向方向延伸布置呈一直线，每个线分布中的相邻的EIS电极之间的间距相同且为d；2个线分布在管道的相位分布角为180°，2个线分布的EIS电极沿着管道方向交叉分布。
2.一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，其特征在于，包括：若干个EIT电极、若干个EIS电极；
所述EIT电极的布置：所述EIT电极呈螺旋线分布设置在管道的内表面，所述螺旋线的螺距为L；
所述EIS电极的布置：EIS电极在管道的内表面上呈2个线分布：u分布与v分布；所述线分布为EIS电极沿着管道的轴向方向延伸布置呈一直线，2个线分布在管道的相位分布角为180°；
定义xyz轴：以管道的轴向方向为x轴；y轴与z轴形成的平面为管道的横截面，所述EIS电极的1个线分布指向另一个线分布的方向为y轴，z轴为与x轴、y轴均垂直；
满足：
uix-ui-1x＝d；
vix-vi-1x＝d；
vix-uix＝ui+1x-vix＝d/2；
其中，vix、vi-1x为v分布上第i个、第i-1个的x坐标，uix、ui+1x分别为u分布第i个、第i+1个的x坐标；d为参数。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，其特征在于，每一个螺距内等距分布相同数量的EIT电极。
4.根据权利要求1或2所述的一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，其特征在于，所述EIT电极与所述EIS电极布置的关系是：d＝L。
5.根据权利要求4所述的一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，其特征在于，每一个螺距内相邻的EIT电极在x轴的距离为L/n，n为偶数，EIS电极的所述每个线分布的相邻的EIS电极的中部位置处布置有EIT电极。
6.根据权利要求5所述的一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，其特征在于，n为8或16或32。
7.根据权利要求6所述的一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，其特征在于，EIS电极用于初次定位粒子在水平方向的坐标，采用管道轴向方向上最邻近EIS电极激励-测量的方式来初次定位粒子在水平方向的坐标。
8.根据权利要求6所述的一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，其特征在于，根据粒子水平方向的坐标选择一个螺距内的所有电极进行激励和测量，用相邻激励-相邻测量的方式进行EIT检测，从而进行横截面粒子的精确定位。
9.根据权利要求6所述的一种适用于管道内粒子精确定位的电阻抗检测芯片，其特征在于，根据测得的粒子的横截面位置，修正粒子的在水平方向的坐标。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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