雙電壓激勵法在電容層析成像系統中的應用

胡葉容

（東莞職業技術學院電子工程系，廣東東莞523808）

雙電壓激勵法在電容層析成像系統中的應用

胡葉容*

（東莞職業技術學院電子工程系，廣東東莞523808）

針對電容層析成像技術在管道流體監測方面存在中心部位信噪比低、邊緣效應大以及識別精度低的缺點，提出一種雙電壓激勵方法來提高檢測區域中心的檢測信號強度。采用COMSOL Multiphysics建立了16電極外置傳感器的有限元模型，分別采用常規單電壓激勵法和雙電壓激勵法進行仿真，并進行試驗對比，結果表明：相對傳統單電壓激勵法，雙電壓激勵法能夠改善管內區域電場和電勢分布均勻性，提高中心區域信號強度及靈敏度水平，從而提高了監測識別精度。

電容層析成像；雙電壓激勵法；有限元；單電壓激勵法；靈敏度

電容層析成像（ECT）技術由于在測量過程中無需侵入被測結構，且傳感器結構簡單，成本低，因此具有廣泛的應用前景。在管道流體檢測應用方面，ECT技術經常用于對管道內流體的橫截面進行圖像重建，以此實時監測管道橫截面的介質分布，獲取橫截面相分布的微觀信息。然而，采用ECT技術所重建圖像的質量嚴重依賴于管道內部的靈敏場數據以及圖像重建算法，目前重建的圖像仍然存在以下問題：（1）流體尺寸和被測電容之間的存在非線性關系，導致重建的圖像無法準確反映流體的尺寸大小［1-3］。（2）管內區域靈敏場分布不均勻，電極對之間在不同位置的靈敏度不同［4-6］，相鄰電極對之間的靈敏度是相對電極對之間靈敏度的幾十倍甚至更多［7-9］。3）通常靠近壁面的區域比中心區域的靈敏度要高，在被測中心區域中的檢測信號很弱，信噪比（SNR）過小［10-12］，這導致對管內中心部位的識別程度不高。這些問題的主要原因之一是檢測信號過于弱小導致的，傳統的單電壓激勵方法輸出的電容值很小，而反映介質變化的電容變化值更小，甚至遠小于雜散電容，這增加了識別難度。為此，本文提出雙電壓激勵法，以此提高檢測區的檢測信號強度，從而達到提高管內流體識別精度的目的。

收稿日期：2015-11-18修改日期：2016-01-10

1　有限元仿真模型

本文分析對象為一款16個電極外置的ECT系統，如圖1（a）所示。該ECT系統包含16個檢測電極，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：整個模型由電極、管壁和介質組成，為方便說明，對16個電極依次進行編號，網格劃分時對電極附近劃分較密，被測中心區域網格劃分較粗，管壁的相對介電常數為3，管內介質是空氣或者水，空氣的相對介電常數為1，水的相對介電常數為80。

圖1　ECT傳感器模塊

2　激勵方法

2.1單電壓激勵法

目前ECT系統普遍采用單電壓激勵法，單電壓激勵法的流程是：先對1電極施加激勵電壓，其余電極保持虛擬接地，測量電極對1和2、1和3，直到1和16之間的電容值。然后對電極2施加激勵電壓，其余電極保持虛擬接地，測量電極對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個電容值。

采用單電壓激勵法對有限元模型進行仿真，對電極1施加24 V電壓激勵時結果如圖2所示。圖2（a）為管內介質為空氣時的電勢線和電場線分布，圖2（b）為模擬塑料管內存在20 mm直徑水流時的電勢分布和電場線分布，圖2（b）中顯示電場線在水流位置處出現明顯的方向偏轉，軟場效應十分明顯。

圖2　單電壓激勵的電勢及電場分布

2.2雙電壓激勵法

為提高檢測區的檢測信號水平，本文提出雙電壓激勵法，其流程如下：（1）以1號電極作為激勵電極，除電極1之外的電極均作為檢測電極處于虛擬接地狀態，對電極1其施加4 Vpp的正弦電壓激勵，檢測同側電極對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號電極的激勵電壓切換為24 Vpp，其余電極作為檢測電極處于虛擬接地狀態，檢測相對的電極對1和5、1和6直到1和13之間的電容值。（3）分別以2-15號電極作為激勵電極重復上述1、2步，一共可以得到120個獨立的電容測量值。

圖3顯示了基于軟件COMSOL的雙電壓激勵法的仿真結果，圖3（a）為空場仿真顯示的電位圖，圖中藍色部分顯示同側電極對接受較低的激勵電位呈現低電位，而相對電極獲得更高的激勵顯得電位較高，相對單電壓激勵法，雙電壓激勵法獲得的電場線聚焦在中心部分，說明中心部分的電場強度較大，從而擁有較高的檢測信號。圖3（b）為中心存在一圓形水流時的仿真結果，相對單電壓激勵法，其電場線偏轉沒那么嚴重，等電勢線分布也相對較均勻。

圖3　雙電壓激勵法電勢分布云圖

3　實驗對比

仿真結果說明雙電壓激勵法能夠提高管內中心區域的檢測信號強度，為了驗證這一說法，采用兩種方法分別進行實驗進行對比。

3.1單電壓激勵法

采用16電極的傳感器進行實驗，對電極1施加24 Vpp的電壓，其余電極電勢為0，測量電極對之間的的電量，除以激勵電壓，即可算出電容C2-1至C16-1，換為2號電極作為激勵電極，測量電容C3-2至C16-2，如此循環，測量得到120個獨立的互電容值。測量得到電容值后通過電容電壓（C/V）轉換，將測得的電容轉換為輸出電壓信號，此輸出電壓信號的大小反映了電容值的大小。圖4（a）為單電壓激勵法管中有水流和無水流時各電極板的輸出電勢分布。從圖中可見電壓呈U形分布，電極對1-2和1-16之間的電壓最大，這說明激勵電極附近的電極對之間具有較高的電容值；而1-9之間的輸出電壓值最低，這說明相對電極對之間的電容值最小，并且隨著電極對之間的距離增大，電容值漸漸變小，這說明單電壓激勵法具有較嚴重的邊緣效應。

3.2雙電壓激勵法

交替對電極1施加交流正弦電壓4 Vpp和24 Vpp的激勵，而其余電極電勢為0，激發期間，先施加4 Vpp的低電壓源用以接收同側電極對，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的激勵用以接收相對的電極對即1和5至1和13之間的電容值。

測量得到電容值后通過電容電壓（C/V）轉換，將測得的電容轉換為輸出電壓信號，各電極對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，特別是相對電極對之間的電壓得到了大幅提升，這說明中心區域的檢測信號水平得到了提高，這會導致中心區域的靈敏度得到提升，有利于提高傳感器對中心區域的識別精度。

圖4　輸出電壓分布

4　靈敏場分布對比

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

圖5　兩種方法的靈敏度分布

5　檢測精度對比

5.1電容值與流體直徑的關系

為研究介電常數與電容值之間的關系，將代表高介電常數的水流直徑增大，然后分別采用兩種方法進行仿真，對1號電極施加激勵時仿真得到的電場線和電位等勢線分布分別如圖6和圖7所示。圖中顯示，隨著水流直徑的增大，兩種激勵方法的電場線都跟隨水流位置發生了變化，但是相對于單電壓激勵法，雙電壓激勵法仿真結果的電場線偏轉沒那么嚴重，電場線和等勢線分布相對較均勻，這說明管內測量區域的檢測信號分布也將趨于均勻，有得于提高對管內流體的識別精度。

圖6　單電壓激勵法仿真結果

圖7　雙電壓激勵法仿真結果

不斷的調整水流直徑的大小，然后分別采用兩種方法進行仿真，監測相對電極對之間的電容值與水流直徑之間的關系，結果如圖8所示。圖8 （a）為單電壓激勵法的仿真結果，圖8（b）為雙電壓激勵法的仿真結果。從圖中可見單電壓激勵法測得的電容值與水流直徑呈現明顯的非線性關系，而雙電壓激勵法中仿真得到的電容值與水流直徑基本上呈現線性關系，這說明采用雙電壓激勵法至少在測量管內流體的直徑方面具有精度上的優勢。

圖8　電容值與水流直徑的關系

5.2環形流圖像對比

分別采用兩種激勵方法對檢測區流動原型如圖9（a）所示的環形流進行圖像重建，紅色部分介質為水，圖形重建結果如圖9（b）和圖9（c）所示。單電壓激勵法重建的圖形結果雖然能夠勉強達到流型識別的目的，但是由于檢測區中心部位檢測信號弱，識別性差，無法確定環形水流的具體尺寸。而采用多電極激勵法重建的圖形結果由于檢測區中心處的靈敏度較高，中心處相對容易識別，基本可以確定環形水流的尺寸。

圖9　環形流重建圖像對比

6　結論

本文分別采用有限元仿真和試驗分析對單電壓激勵法和雙電壓激勵方法進行了對比分析。結果表明雙電壓激勵方法可以提高檢測區中心信號強度及信噪比，提高中心區域中的靈敏度，相對電極之間的電容值與流體直徑分布之間的線性關系得到提高，重建的圖像中心區域的可識別性更好，提高了ECT系統對管道流的監測識別精度。

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胡葉容（1981-），女，漢族，湖南邵東人，東莞職業技術學院，講師，研究方向為信號處理，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