[发明专利]非接触式电阻抗传感器及基于该传感器的图像重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测器件及其应用，特别是一种非接触式电阻抗传感器及基于该传感器的图像重建方法。

背景技术

电阻抗层析成像技术(Electrical Impedance Tomography，EIT)是近年来发展起来的一种多相流及人体生物组织可视化的参数检测技术。为实现可视化测量，整个系统的核心部件是阻抗传感器，由其获取管截面上介质的阻抗信息，进而以层析成像等形式实现参数检测。

工业常见的系统中，EIT通常表现为单一的电阻层析成像(Electrical resistence tomography，ERT)模态或者电容层析成像(Electrical capacitance tomography，ECT)模态，而单一的电阻或电容模态相互独立且测量范围有限，因此双模态阻抗信息的获取可以拓宽测量范围。

目前文献中多模态测量有两种方式，一种是分离式单模态传感器的组合，另一种是电阻抗传感器。

前者如Hoyle等2001年发表于《测量科学与技术》(MeasurementScience and Technology)第12卷第8期，第1157-1165页，题为《多模态过程成像系统设计与应用》(Design and application of a multi-modalprocess tomography system)的文章中每个模态仍是孤立的系统，实现的测量也只是在不同截面上，对同一流型的不同模态的不同位置非同步测量，由于被测多相流流速和流型变化速度快，难于实现对高速多相流中同一流型剖面的电阻电容信息同时提取；而公开号为CN1793879的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器、公开号为CN101025404的ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器中的放置在管道的同一截面上，若电阻模态和电容模态同步激励，则硬件上需要采取措施，避免两种激励模式之间的耦合影响，增加硬件系统的复杂度；若电阻模态和电容模态分时激励，因为分时激励对应的测量是分时测量，只是电阻模态和电容模态两种模态测量的简单组合，测量范围也仅是两种模态的简单复合，且不是对同一流型剖面的同步测量，对于高速变化的多相流流型而言，仍难于捕捉到流型剖面的细节信息。

后者如公开号为CN1821762的双模电学成像系统传感器及基于该传感器的图像重建方法及公开号为CN101034075的方形双模自标定传感器及基于该传感器的图像重建方法，分别提供了一种双模电学成像系统传感器，实现阻抗信息的获取，同步获得同一管截面上介质阻抗分布的实部和虚部信息，进而大大简化电阻抗成像系统的软硬件设计，扩展测量范围。但是该类传感器的电极阵列与被测对象接触，属于接触式测量；其电极阵列容易受腐蚀，测量效果易受接触阻抗、流型变化等不确定因素影响。

2007年，Qussai Marashdeh等人在《IEEE传感器杂志》(SensorsJournal，IEEE)第7卷第3期，第426-433页的题为《基于ECT传感器的多模态层析成像系统》(Amultimodal tomography systembased on ECT sensors)的论文中，给出了一种非接触式多模态测量方式的初步结果，但是其计算基于数值方法，计算方式复杂，不利于灵敏场的计算以及图像重建。

综上所述，在目前的EIT系统中，多模态传感器大多为接触式传感器，测量结果受接触阻抗、流型变化等因素影响较大；而现有的非接触式传感器不具有解析表达的数学模型，不利于图像重建以及传感器性能分析，限制了电阻抗层析成像技术实现工业化应用。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种非接触式电阻抗传感器，电极阵列不与被测物质接触，且实现阻抗信息的获取，同步获得同一管截面上介质阻抗分布的实部和虚部信息；并基于该传感器，给出了其解析模型及相应的灵敏场分布表达式，最后给出两种快速成像的图像重建方法。

为实现以上目标，本发明采取的技术方案是提供一种非接触式电阻抗传感器，该传感器安装于测量区域，该传感器的径向截面结构是由四层结构组成，由外及内依次为金属管层，绝缘物质层，电极阵列层以及绝缘环层，所述附着在绝缘环层上的电极数至少有二个，均匀分布在同一圆周上，所述绝缘物质层的厚度小于绝缘环层外径的1％，且使电极阵列与金属管层之间电场强度小于绝缘物质层的击穿强度，其中：所述电极阵列层通过绝缘环层与测量区域隔离。

还提供二种基于该传感器实现电阻抗层析成像的图像重建方法。