胡葉容

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，廣東東莞523808）

雙電壓激勵(lì)法在電容層析成像系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡葉容*

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，廣東東莞523808）

針對(duì)電容層析成像技術(shù)在管道流體監(jiān)測(cè)方面存在中心部位信噪比低、邊緣效應(yīng)大以及識(shí)別精度低的缺點(diǎn)，提出一種雙電壓激勵(lì)方法來提高檢測(cè)區(qū)域中心的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。采用COMSOL Multiphysics建立了16電極外置傳感器的有限元模型，分別采用常規(guī)單電壓激勵(lì)法和雙電壓激勵(lì)法進(jìn)行仿真，并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明：相對(duì)傳統(tǒng)單電壓激勵(lì)法，雙電壓激勵(lì)法能夠改善管內(nèi)區(qū)域電場(chǎng)和電勢(shì)分布均勻性，提高中心區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度及靈敏度水平，從而提高了監(jiān)測(cè)識(shí)別精度。

電容層析成像；雙電壓激勵(lì)法；有限元；單電壓激勵(lì)法；靈敏度

電容層析成像（ECT）技術(shù)由于在測(cè)量過程中無需侵入被測(cè)結(jié)構(gòu)，且傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。在管道流體檢測(cè)應(yīng)用方面，ECT技術(shù)經(jīng)常用于對(duì)管道內(nèi)流體的橫截面進(jìn)行圖像重建，以此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道橫截面的介質(zhì)分布，獲取橫截面相分布的微觀信息。然而，采用ECT技術(shù)所重建圖像的質(zhì)量嚴(yán)重依賴于管道內(nèi)部的靈敏場(chǎng)數(shù)據(jù)以及圖像重建算法，目前重建的圖像仍然存在以下問題：（1）流體尺寸和被測(cè)電容之間的存在非線性關(guān)系，導(dǎo)致重建的圖像無法準(zhǔn)確反映流體的尺寸大?。?-3］。（2）管內(nèi)區(qū)域靈敏場(chǎng)分布不均勻，電極對(duì)之間在不同位置的靈敏度不同［4-6］，相鄰電極對(duì)之間的靈敏度是相對(duì)電極對(duì)之間靈敏度的幾十倍甚至更多［7-9］。3）通?？拷诿娴膮^(qū)域比中心區(qū)域的靈敏度要高，在被測(cè)中心區(qū)域中的檢測(cè)信號(hào)很弱，信噪比（SNR）過?。?0-12］，這導(dǎo)致對(duì)管內(nèi)中心部位的識(shí)別程度不高。這些問題的主要原因之一是檢測(cè)信號(hào)過于弱小導(dǎo)致的，傳統(tǒng)的單電壓激勵(lì)方法輸出的電容值很小，而反映介質(zhì)變化的電容變化值更小，甚至遠(yuǎn)小于雜散電容，這增加了識(shí)別難度。為此，本文提出雙電壓激勵(lì)法，以此提高檢測(cè)區(qū)的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，從而達(dá)到提高管內(nèi)流體識(shí)別精度的目的。

收稿日期：2015-11-18修改日期：2016-01-10

1　有限元仿真模型

本文分析對(duì)象為一款16個(gè)電極外置的ECT系統(tǒng)，如圖1（a）所示。該ECT系統(tǒng)包含16個(gè)檢測(cè)電極，電極的展角為22.5度，壁面為丙烯酸管，直徑110mm，壁厚5mm。使用COMSOL Multiphysics軟件建立有限元模型，如圖1（b）所示：整個(gè)模型由電極、管壁和介質(zhì)組成，為方便說明，對(duì)16個(gè)電極依次進(jìn)行編號(hào)，網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)電極附近劃分較密，被測(cè)中心區(qū)域網(wǎng)格劃分較粗，管壁的相對(duì)介電常數(shù)為3，管內(nèi)介質(zhì)是空氣或者水，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1，水的相對(duì)介電常數(shù)為80。

圖1　ECT傳感器模塊

2　激勵(lì)方法

2.1單電壓激勵(lì)法

目前ECT系統(tǒng)普遍采用單電壓激勵(lì)法，單電壓激勵(lì)法的流程是：先對(duì)1電極施加激勵(lì)電壓，其余電極保持虛擬接地，測(cè)量電極對(duì)1和2、1和3，直到1和16之間的電容值。然后對(duì)電極2施加激勵(lì)電壓，其余電極保持虛擬接地，測(cè)量電極對(duì)2和3、2 和4，直到2和16之間的電容值，以此類推，可以獲得120個(gè)電容值。

采用單電壓激勵(lì)法對(duì)有限元模型進(jìn)行仿真，對(duì)電極1施加24 V電壓激勵(lì)時(shí)結(jié)果如圖2所示。圖2（a）為管內(nèi)介質(zhì)為空氣時(shí)的電勢(shì)線和電場(chǎng)線分布，圖2（b）為模擬塑料管內(nèi)存在20 mm直徑水流時(shí)的電勢(shì)分布和電場(chǎng)線分布，圖2（b）中顯示電場(chǎng)線在水流位置處出現(xiàn)明顯的方向偏轉(zhuǎn)，軟場(chǎng)效應(yīng)十分明顯。

圖2　單電壓激勵(lì)的電勢(shì)及電場(chǎng)分布

2.2雙電壓激勵(lì)法

為提高檢測(cè)區(qū)的檢測(cè)信號(hào)水平，本文提出雙電壓激勵(lì)法，其流程如下：（1）以1號(hào)電極作為激勵(lì)電極，除電極1之外的電極均作為檢測(cè)電極處于虛擬接地狀態(tài)，對(duì)電極1其施加4 Vpp的正弦電壓激勵(lì)，檢測(cè)同側(cè)電極對(duì)1和2、1和3、1和4、1和14、1和15以及1和16之間的電容值。（2）1號(hào)電極的激勵(lì)電壓切換為24 Vpp，其余電極作為檢測(cè)電極處于虛擬接地狀態(tài)，檢測(cè)相對(duì)的電極對(duì)1和5、1和6直到1和13之間的電容值。（3）分別以2-15號(hào)電極作為激勵(lì)電極重復(fù)上述1、2步，一共可以得到120個(gè)獨(dú)立的電容測(cè)量值。

圖3顯示了基于軟件COMSOL的雙電壓激勵(lì)法的仿真結(jié)果，圖3（a）為空?qǐng)龇抡骘@示的電位圖，圖中藍(lán)色部分顯示同側(cè)電極對(duì)接受較低的激勵(lì)電位呈現(xiàn)低電位，而相對(duì)電極獲得更高的激勵(lì)顯得電位較高，相對(duì)單電壓激勵(lì)法，雙電壓激勵(lì)法獲得的電場(chǎng)線聚焦在中心部分，說明中心部分的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，從而擁有較高的檢測(cè)信號(hào)。圖3（b）為中心存在一圓形水流時(shí)的仿真結(jié)果，相對(duì)單電壓激勵(lì)法，其電場(chǎng)線偏轉(zhuǎn)沒那么嚴(yán)重，等電勢(shì)線分布也相對(duì)較均勻。

圖3　雙電壓激勵(lì)法電勢(shì)分布云圖

3　實(shí)驗(yàn)對(duì)比

仿真結(jié)果說明雙電壓激勵(lì)法能夠提高管內(nèi)中心區(qū)域的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，為了驗(yàn)證這一說法，采用兩種方法分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

3.1單電壓激勵(lì)法

采用16電極的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)電極1施加24 Vpp的電壓，其余電極電勢(shì)為0，測(cè)量電極對(duì)之間的的電量，除以激勵(lì)電壓，即可算出電容C2-1至C16-1，換為2號(hào)電極作為激勵(lì)電極，測(cè)量電容C3-2至C16-2，如此循環(huán)，測(cè)量得到120個(gè)獨(dú)立的互電容值。測(cè)量得到電容值后通過電容電壓（C/V）轉(zhuǎn)換，將測(cè)得的電容轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號(hào)，此輸出電壓信號(hào)的大小反映了電容值的大小。圖4（a）為單電壓激勵(lì)法管中有水流和無水流時(shí)各電極板的輸出電勢(shì)分布。從圖中可見電壓呈U形分布，電極對(duì)1-2和1-16之間的電壓最大，這說明激勵(lì)電極附近的電極對(duì)之間具有較高的電容值；而1-9之間的輸出電壓值最低，這說明相對(duì)電極對(duì)之間的電容值最小，并且隨著電極對(duì)之間的距離增大，電容值漸漸變小，這說明單電壓激勵(lì)法具有較嚴(yán)重的邊緣效應(yīng)。

3.2雙電壓激勵(lì)法

交替對(duì)電極1施加交流正弦電壓4 Vpp和24 Vpp的激勵(lì)，而其余電極電勢(shì)為0，激發(fā)期間，先施加4 Vpp的低電壓源用以接收同側(cè)電極對(duì)，即1和2、1和3、1和4、1和14、1和15以及1和16之間的電容值。然后施加24 Vpp的激勵(lì)用以接收相對(duì)的電極對(duì)即1和5至1和13之間的電容值。

測(cè)量得到電容值后通過電容電壓（C/V）轉(zhuǎn)換，將測(cè)得的電容轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號(hào)，各電極對(duì)之間的電壓分布如圖4（b）所示：電壓的分布均勻性得到了提升，特別是相對(duì)電極對(duì)之間的電壓得到了大幅提升，這說明中心區(qū)域的檢測(cè)信號(hào)水平得到了提高，這會(huì)導(dǎo)致中心區(qū)域的靈敏度得到提升，有利于提高傳感器對(duì)中心區(qū)域的識(shí)別精度。

圖4　輸出電壓分布

4　靈敏場(chǎng)分布對(duì)比

采用MATLAB計(jì)算管內(nèi)區(qū)域的靈敏度，單電壓激勵(lì)法和雙電壓激勵(lì)法的靈敏度分布如圖5所示。圖5（a）顯示單電壓激勵(lì)法得到的靈敏場(chǎng)靈敏場(chǎng)的分布不均勻，靠近管壁和激勵(lì)電極處靈敏場(chǎng)的靈敏度最高，而在場(chǎng)的中心區(qū)域靈敏度較低，說明檢測(cè)區(qū)中心位置的識(shí)別較困難。圖5（b）為雙電壓激勵(lì)法得到的靈敏度分布，圖中顯示與單電壓激勵(lì)法相比，采用雙電壓激勵(lì)法后，靈敏場(chǎng)分布均勻度有所提高，特別是檢測(cè)區(qū)域中心部位的靈敏度較高得到大幅提高，這說明雙電壓激勵(lì)法能提高管內(nèi)中心位置的識(shí)別精度。

圖5　兩種方法的靈敏度分布

5　檢測(cè)精度對(duì)比

5.1電容值與流體直徑的關(guān)系

為研究介電常數(shù)與電容值之間的關(guān)系，將代表高介電常數(shù)的水流直徑增大，然后分別采用兩種方法進(jìn)行仿真，對(duì)1號(hào)電極施加激勵(lì)時(shí)仿真得到的電場(chǎng)線和電位等勢(shì)線分布分別如圖6和圖7所示。圖中顯示，隨著水流直徑的增大，兩種激勵(lì)方法的電場(chǎng)線都跟隨水流位置發(fā)生了變化，但是相對(duì)于單電壓激勵(lì)法，雙電壓激勵(lì)法仿真結(jié)果的電場(chǎng)線偏轉(zhuǎn)沒那么嚴(yán)重，電場(chǎng)線和等勢(shì)線分布相對(duì)較均勻，這說明管內(nèi)測(cè)量區(qū)域的檢測(cè)信號(hào)分布也將趨于均勻，有得于提高對(duì)管內(nèi)流體的識(shí)別精度。

圖6　單電壓激勵(lì)法仿真結(jié)果

圖7　雙電壓激勵(lì)法仿真結(jié)果

不斷的調(diào)整水流直徑的大小，然后分別采用兩種方法進(jìn)行仿真，監(jiān)測(cè)相對(duì)電極對(duì)之間的電容值與水流直徑之間的關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。圖8 （a）為單電壓激勵(lì)法的仿真結(jié)果，圖8（b）為雙電壓激勵(lì)法的仿真結(jié)果。從圖中可見單電壓激勵(lì)法測(cè)得的電容值與水流直徑呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，而雙電壓激勵(lì)法中仿真得到的電容值與水流直徑基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系，這說明采用雙電壓激勵(lì)法至少在測(cè)量管內(nèi)流體的直徑方面具有精度上的優(yōu)勢(shì)。

圖8　電容值與水流直徑的關(guān)系

5.2環(huán)形流圖像對(duì)比

分別采用兩種激勵(lì)方法對(duì)檢測(cè)區(qū)流動(dòng)原型如圖9（a）所示的環(huán)形流進(jìn)行圖像重建，紅色部分介質(zhì)為水，圖形重建結(jié)果如圖9（b）和圖9（c）所示。單電壓激勵(lì)法重建的圖形結(jié)果雖然能夠勉強(qiáng)達(dá)到流型識(shí)別的目的，但是由于檢測(cè)區(qū)中心部位檢測(cè)信號(hào)弱，識(shí)別性差，無法確定環(huán)形水流的具體尺寸。而采用多電極激勵(lì)法重建的圖形結(jié)果由于檢測(cè)區(qū)中心處的靈敏度較高，中心處相對(duì)容易識(shí)別，基本可以確定環(huán)形水流的尺寸。

圖9　環(huán)形流重建圖像對(duì)比

6　結(jié)論

本文分別采用有限元仿真和試驗(yàn)分析對(duì)單電壓激勵(lì)法和雙電壓激勵(lì)方法進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明雙電壓激勵(lì)方法可以提高檢測(cè)區(qū)中心信號(hào)強(qiáng)度及信噪比，提高中心區(qū)域中的靈敏度，相對(duì)電極之間的電容值與流體直徑分布之間的線性關(guān)系得到提高，重建的圖像中心區(qū)域的可識(shí)別性更好，提高了ECT系統(tǒng)對(duì)管道流的監(jiān)測(cè)識(shí)別精度。

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胡葉容（1981-），女，漢族，湖南邵東人，東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理，huyr@dgpt.edu.cn。

The Application of the Dual Potentials Excitation Method in Electrical Capacitance Tomography System

HU Yerong*
（Department of Electronic Engineering，Dongguan Polytechnic，Dongguan Guangdong 523808，China）

In order to solve the defects of poor signal-to-noise ratio in the central area，edge effects，and low recognition accuracy of electrical capacitance tomography in tube fluid monitoring，the dual potentials excitation method is proposed to improve the detection signal strength at the central area.The finite element model of a 16 electrode externally mounted sensor is established using software COMSOL Multiphysics，and simulations are performed by using conventional single-voltage excitation method and the proposed dual potentials excitation method，respectively. And the results are compared by test，the results show that compared with the traditional single-voltage excitation method，the dual potentials excitation method can improve the uniformity of the electric field and potential distribution，and lead to the detection signal strength and sensitivity level of the central region within the tube an obvious improrement，so the fluid monitoring recognition accuracy is increased.

electrical capacitance tomography；dual potentials excitation method；finite element method；single potential citation method；sensitivity

TP216

A

1005-9490（2016）03-0628-06

EEACC：6140C10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.025