电容层析成像系统传感器场域剖分及参数优化

张晋荣，王莉莉，杨博韬，刘 笑

(哈尔滨理工大学 计算机科学与技术学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

电容层析成像(electrical capacitance tomography，ECT)技术是自20世纪80年代借鉴医学CT技术发展起来的一种成本低廉且安全性能高的新型流动层析成像技术[1]，因其具有结构简单、响应速度快等诸多优点，被广泛应用于工业管道中两相流或多相流的测量过程中。它可以在不破坏封闭管道内多相流混合体结构的前提下，采用均匀安装在管道周围的阵列式电容传感器来获得被测区域在不同角度或方向上的多个电容测量值，并将这些电容测量值作为投影数据由计算机采用某种图像重建算法[2]，计算出各分相介质的浓度大小、分布状况等相关过程参数。

1 电容层析成像系统的组成结构

一个典型的12电极ECT系统一般由传感器系统，电容数据采集及信号处理系统和图像重建系统三部分组成(如图1所示)[3]。电容传感器是ECT系统的重要组成部分，其结构如图2所示，主要由绝缘管道、测量电极以及接地屏蔽罩3部分构成。传感器性能的好坏将直接影响电容值的测量精度以及电极间敏感场分布的均匀性，进而影响着数据采集系统的可靠性和图像重建的质量，因此合理选择传感器结构参数的工艺材料及物理尺寸，从而获得灵敏度高且可靠性强的电容传感器，对提高ECT系统的整体性能有着深刻的意义。

图1 12电极ECT系统结构图Fig.1 Structure of 12-sensor ECT system

图2 传感器结构图Fig.2 Structure of sensor

2 电容传感器的数学模型

由电磁场理论可知，电容传感器内的电磁场可被认为是稳定的静电场，即场内无自由电荷[5]。……