一种新型应用于平面电容层析成像系统的电容阵列传感器设计

平面电容层析成像(ECT)技术适用于复合材料表面/亚表面缺陷探伤检测,或传感器安装受限制等无损检测应用领域。针对常规平面ECT系统所采用的方形结构阵列传感器灵敏度分布均匀性较差、中心区域成像质量不高的问题,提出了一种新型结构阵列平面电容传感器,该传感器由7个单元传感电极构成蜂巢结构阵列。新型结构阵列传感器由COMSOLTM专业软件进行建模分析,并设定静电场边界条件,求解并获得传感器的电场分布、极间电容值以及计算灵敏度矩阵。通过与相同尺寸的3×3方形阵列传感器进行比较,来评估新型结构阵列传感器的关键性能,即极间电容变化值和灵敏度分布均匀性。此外,传感器实物采用印刷电路板技术设计制作,结合线性反投影算法进行图像重建,比较和验证两种结构传感器的成像性能。经过数值成像实验和实物重建图像测试,结果表明,新型结构阵列传感器有利于电容传感信号检测,改善了传感器灵敏度分布均匀性,提高了平面ECT系统中心区域成像质量。

气固两相流检测与电容层析成像系统技术研究

文章以西安交通大学多相流实验室的电容层析成像仪项目为研究案例,重点探讨了气固两相流检测与电容层析成像系统技术。这2项技术在工业和学术界广受关注。文章深入分析了气固两相流的基本特性和检测需求,提出了融合电容层析成像技术的气固两相流检测系统,并进行了实验验证和性能评估。

基于FCM及快速迭代收缩阈值算法的平面ECT图像重建

为提高平面阵列电容成像系统的成像精度,提出一种基于模糊C均值聚类(FCM)进行数据优化的快速迭代收缩阈值算法(FISTA)。根据平面阵列电容数据的特点,首先利用FCM算法对测量电容值进行分类,保留有效电容值,实现电容向量降维;然后利用离散小波基(DWT)对灰度值进行稀疏表示,并建立L1正则化模型,采用FISTA进行求解,以实现图像重建;最后将FCM处理后的电容值分别用于Landweber算法、Tikhonov算法进行重建对比。仿真与实验结果表明,该算法重建图像的平均相对误差约为0.0527,平均相关系数约为0.9422,均优于其它算法,且重建图像伪影较少,更接近真实情况;因此,所提算法具有更好的重建效果。。

用于两相流流型显示和空隙率测量的电容层析成像技术

Based on electrical capacitance tomography technique, a novel method for flow pattern display and voidage measurement of two-phase flow was proposed. A 12-electrode ECT measurement system was developed. The weighted back projection algorithm was selected as the image reconstruction algorithm to satisfy the requirement of flow pattern display. Combining the principle of Tikhnov regularization theory with the ART(Algebraic Reconstruction Technique) algorithm, a new quantitative image reconstruction algorithm was developed to implement voidage measurement of two-phase flow. Experimental results of gas-liqiud two-phase flow and gas-solid fluidized bed showed that the developed measurement system was successful. The speed of image reconstruction of flow pattern display was greater than 20 frames per second. The maximum error of voidage measurement is less than 5% and the time of voidage measurement is less than 2 seconds.

基于非线性最小二乘的电容层析成像图像重建算法

针对电容层析成像技术中的'软场'效应和病态问题,提出了基于非线性最小二乘算法的新电容层析成像(ECT)算法。在分析非线性最小二乘问题残量原理的基础上,给出了目标函数中二阶信息项的割线近似的校正公式,并利用Lipschitz空间连续的性质对非线性最小二乘算法的收敛性进行了证明,在此基础上探讨了ECT应用该算法的可行性。该算法满足收敛条件且重建图像误差小。仿真和实验结果表明,与LBP、Landweber和共轭梯度算法相比,对于简单流型该算法兼备成像质量高、边界均匀稳定等优点,该算法的提出为ECT图像重建算法的研究提供了一个新的思路。

基于Matlab的电容层析成像系统软场特性仿真研究

电容层析成像是监测两相流动的一种新技术。它可重建两相流在其流经管道横截面上的相分布图像 ,而重建图像的先决条件是需获得成像系统的灵敏场分布。电容层析成像 (ECT)系统阵列传感器的敏感场受被测介质的影响 ,这一“软场”特性是ECT应用于两相流参数测量中的一个主要问题。本文介绍了基于有限元模型的仿真实验 ,通过典型介电常数分布下灵敏度分布与空管下灵敏度分布的差值计算与分析 ,研究了影响灵敏场分布的因素及其规律。

基于PIC单片机控制的电容层析成像系统

电容层析成像技术以其结构简单、响应速度快、非侵入、无辐射等优点成为检测科学领域里的研究热点之一。介绍了一种基于PIC16C74单片机控制的8极板电容层析成像系统,描述了它的硬件检测电路组成、工作原理并给出了图像重建计算机和单片机工作的软件设计流程。实验证明:模块化结构设计使得系统具有良好的性能,且充分考虑了信号远传、系统成本、灵活性、速度等问题,为ECT技术的工业应用奠定了基础。

压缩感知在电容层析成像中的应用

压缩感知(CS)理论是在充分利用信号稀疏性或可压缩性的情况下,对信号进行少量采样即可实现信号的精确重建。本文尝试将CS理论应用于电容层析成像(ECT)图像重建中,首先,使用快速傅里叶变换(FFT)基将原始图像灰度信号进行稀疏化处理;其次,将ECT灵敏度矩阵的各行按随机顺序进行排列,得到ECT系统随机观测矩阵;最后,选取当前普遍使用的基于内点法、梯度投影(GPSR)算法以及贪婪算法的CS图像重建算法进行ECT图像重建,并与线性反投影及Landweber迭代算法进行了对比。仿真实验结果表明:基于CS图像理论的ECT图像重建算法,其重建精度有所提高。本文同时分析了3种CS图像重建算法的优缺点及适用范围。

电容层析成像系统质量实验分析

利用电容层析成像系统实验装置对气/固两相流成像质量进行实验研究。实验结果表明,在图像重建算法一定的情况下,成像质量均受成像传感器极板长度、成像区域像素个数和成像对象等因素的影响。文中还提出了相应的解决方法。

电容层析成像三维传感器结构设计及图像重建

针对二维电容层析成像系统轴向分辨率低,敏感场分布的均匀性对图像重建的影响,在分析电容层析成像基本原理的基础上,提出了一种新型的三维电容层析成像传感器结构.该结构以三层4电极结构为基础,在保持原有电极总面积不变情况下,将每个电极一分为二变成三层8电极传感器,利用多电极组合激励测量模式将每层划分为8个组合,每个组合作为一个电极,这样不仅能增加投影数据,还能提高测量精度.仿真实验结果表明,与三层4电极结构相比,三层8电极能够获得更多的独立测量电容数,又能提高测量精确度,敏感场分布的均匀性得到改善,提高传感器的中心部位图像重建的质量.

电容层析成像技术及其在水泥基材料领域的应用

水泥基材料的耐久性直接取决于水分和有害介质的侵入速度,因此基于可视化技术对水分传输过程进行动态监测、量化分析具有重要意义。电容层析成像技术(ECT)是一种基于电容敏感机理的层析成像技术,具有非侵入性、响应速度快、适用范围广、成本低、无辐射、便携等优点。将ECT技术应用于水泥基材料内部物质传输规律的研究中,有利于更加准确客观地评价水泥基材料的耐久性。本文系统介绍了ECT系统的组成及原理,以及国内外关于ECT技术的研究与应用进展,在此基础上分析讨论了ECT技术在水泥基材料研究领域的发展趋势和前景。

基于MOR两相流电容层析成像图像重建

在电容层析成像系统(ECT)的研究中,普遍采用线性反投影法(LBP)进行图像重建,但LBP产生的图像模糊现象难以消除。通过引入基于模型的重建算法(MOR),利用计算机仿真的方法进行图像重建,可很好消除模糊效应,为流型辨识提供有效的途径。

电容层析成像系统三维传感器结构分析

针对电容层析成像系统存在检测信号微弱,灵敏度低和信噪比低等问题,在分析传感器结构参数对传感器物理性能影响的基础上,给出了一种三维电容层析成像系统传感器模型的选择和分析方法,该方法以6种常用模型为基础,通过对比空满管电容值分析,并通过试验改变屏蔽罩厚度dl,极板张角θ,层间旋转角α的值,分析电容值随参数的变化,绘制电容值随参数的变化曲线,给出了三维ECT传感器参数的参考值.屏蔽罩厚度dl的参考值为8~12 mm,极板张角θ的参考值为50~54°,层间旋转角α的参考值为45°,为三维ECT传感器设计提供了新思路.

用于电容层析成像系统的电容测量电路

电容层析成像(ECT)技术是目前最具发展前景的多相流参数检测方法,可进行多相流相浓度、流型、流量等参数的在线测量。介绍了12电极ECT成像系统的测量原理及设计方法。研制了一种交流激励的微电容测量电路,该电路具有较强的抗杂散电容性能,结构简单、容易实现等优点,较好地解决了电子开关的电荷注入效应对测量分辨率的影响问题。实验表明:电容测量的分辨率可达5.5×104pF。

基于改进半阈值算法的电容层析成像滑油监测方法研究

针对航空滑油检测过程中电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)存在的病态性和欠定性问题,将稀疏正则化中基于L1/2正则化的半阈值迭代算法应用到ECT图像重建,加入L2范数的惩罚项,构造新的泛函模型,并在迭代过程中设计一种新的约束项以优化解向量。仿真实验采用Comsol 5.3搭建系统模型,Matlab 2014a处理采集数据。实验结果表明,与Landweber迭代算法相比,改进算法成像误差降低37.33%,相关系数提升33.67%;与半阈值迭代算法相比,改进算法成像误差和相关系数分别降低12.31%和提升11.86%,图像误差降低至0.24,相关系数提升至0.92,且成像时间依然保持在0.06s。实际滑油监测的实验系统采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)直接数字频率生成模块生成数字量的正弦激励信号,通过D/A转化为正负交流信号对测量电极进行激励。实验结果表明,基于ECT系统的改进半阈值迭代算法可以满足航空发动机滑油监测的实时性和准确性的要求。

12电极电容层析成像系统的设计

电容层析成像技术(ECT)是基于电容敏感原理的过程层析成像技术(PT)。它可进行多相流的相浓度、流型、流量等参数的在线测量,是目前最具发展前景的多相流参数检测方法。本文以12电极电容层析成像系统为研究对象。主要介绍一种基于交流激励型的电容层析成像的C/V转换电路,并分析了该电路的工作原理。该电路能抑制杂散电容的干扰,能测量微小电容的变化,具有抗干扰能力强,稳定性好和较小的漂移等特点。

工业总线标准电容层析成像系统设计

为保证电容层析成像(ECT)系统满足航空航天领域多相流参数测试的要求,开发了一套基于CPCI工业总线标准的ECT系统。采用高性能现场可编程门阵列(FPGA)芯片作为主控芯片,实现信号激励模块、多路复用开关模块、数据处理模块、数据解调和传输模块的集成式设计,将采集信号进行预处理,实现信号的滤波、放大和相敏解调,并通过CPCI工业总线接口把解调后的电容数据传送至系统上位机,完成图像重建。实验测试结果表明:系统采用1 MHz激励信号和8电极传感器的工作模式下,采用10周期的测试信号解调时,图像采集速度可达1 785幅/s,信号的信噪比高于60 d B,成像结果具有良好的空间分辨率。

基于FCM优化的平面阵列电容成像算法

为提高平面阵列电容成像系统的成像精度,提出了一种基于FCM数据优化的成像算法。根据平面阵列电极电容数据的特点,为减小电容测量误差对介电常数的影响,利用FCM算法对测量电容值的不断收敛以实现数据优化的作用,在减弱噪声的同时提高电容值数据的稳定性。在此基础上,对一种隔热材料胶层进行缺陷检测实验,使重建图像的相关系数得到了提高,减小了图像重建误差。实验结果表明:图像重建结果的优化算法可获得更加稳定、有效的电容数据,胶层缺陷图像重建精度具有较大提升。

平面ECT成像上位机软件设计

平面电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)技术可以基于电容的边缘效应,通过图像重建的方式,从单一方向实现对复合材料粘接缺陷的可视化检测。平面ECT成像系统主要由平面ECT传感器、电容数据采集器和成像上位机组成。文章主要介绍12极板平面ECT成像系统中成像上位机软件的设计,利用基于C++编程语言的Qt软件平台编写成像上位机软件,通过串口通信从电容数据采集器获取图像重建所需要的投影数据,然后调用一定的图像重建算法将空间介质分布的重建图像显示在界面上,实现了与下位机之间的通信、人机交互和在线成像等功能。

基于电学层析成像的复合材料检测技术研究

采用16平面电极阵列传感器,深入研究电容层析成像原理,构建了基于FPGA的电容层析成像(ECT)系统。电容层析成像技术基于电容边缘效应,在不损伤材料的基础上可以快速、准确地探测出缺陷的位置。研究结果表明:在使用极板间距为3 mm的4×4平面阵列传感器测量物体为介电常数ε=5的圆形亚克力板(半径为2 cm)的情况下,测量分辨率高。因此,该系统可为复合材料缺陷检测提供一种新的途径。