电容耦合电阻层析成像传感器结构优化设计研究

　　电阻层析成像ERT( Electrical Resistance Tomography)作为一种重要的过程层析成像技术，是20世纪80 年代中后期发展起来的一种成像技术[1]。在冶金、石油、食品、能源等领域的两相流测量中具有广泛的应用前景。与其它成像技术相比，如X 射线、γ 射线、超声等，ERT 成像技术具有成本低，响应速度快，安全性好等优点[2]。但传统的ERT 传感器电极安装时需要穿透管壁并与被测液体直接接触，因此有可能会降低管道耐压强度，同时引起电极腐蚀等问题。

　　电阻层析成像ERT( Electrical Resistance Tomography)作为一种重要的过程层析成像技术，是20世纪80 年代中后期发展起来的一种成像技术[1]。在冶金、石油、食品、能源等领域的两相流测量中具有广泛的应用前景。与其它成像技术相比，如X 射线、γ 射线、超声等，ERT 成像技术具有成本低，响应速度快，安全性好等优点[2]。但传统的ERT 传感器电极安装时需要穿透管壁并与被测液体直接接触，因此有可能会降低管道耐压强度，同时引起电极腐蚀等问题。

　　构与电容层析成像ECT( Electrical Capacitance Tomography)传感器类似[10]，如图1( a) 所示。通过对每组电极对上施加交流电压，从而形成交流通路，就可以获得各电流通路上的串联耦合电容及电阻，而电阻即反映电极对所在电流通路上的管道内部溶 液的电导信息，进而通过一定的图像重建算法获得电极所在管道截面的实时电导分布图像。基于电容耦合原理的电阻层析成像系统的可行性已得到了初步的实验验证 [9]。

　　虽然新提出的CCERT 传感器结构与传统ECT类似，但内部传感机理与ECT 不同。同样，尽管管道内部液体的电导均为CCERT 与传统ERT 传感器的检测对象，然而二者的传感器结构又有很大的区别。因此，以往的ECT 与ERT 的设计经验虽然可提供一定的借鉴与参考[11-15]，但必须针对CCERT 这种新的传感器重新进行建模和优化设计研究，从而提高系统稳定性及检测精度等。本文主要针对CCERT 传感器屏蔽罩及径向电极对传感器性能影响进行分析研究，从而为传感器设计提供指导。

　　1 CCERT 系统组成及数学模型

　　1. 1 CCERT 系统组成及测量原理

　　CCERT 系统主要由电极阵列传感器、数据采集系统和成像系统3 部分组成。电极阵列等间隔围绕被测管道安装一周，如图1 所示。数据采集系统从传感器电极阵列采集反映内部电导分布的数据，在上位机利用一定的图像重建算法进行图像重建及显示，从而获得管道内部截面电导分布的实 时图像。

　　每次测量中，任意两个电极分别作为激励和检测电极，其中激励电极接交流电压源，检测电极接地，如图1( b) 所示，图中电极1 为激励电极，电极7 为检测电极，从而在管道内部建立起敏感场。激励检测电极间等效电路如图2 所示，其中R 表示电流所在通路上管道内部液体的等效电阻值，C1和C2分别表示电极、管壁及导电液体表面形成的两个耦合电容。通过采集检测电极上的交流电流值，经过计 算就可获取相应电流路径上的等效电容及电阻值。当任意两个电极( 激励和检测电极对) 间的测量结束后，就完成一个测量周期。对于N 电极传感器，每个测量周期共有N( N-1) /2 组独立测量值。本文以12 电极传感器为研究对象，因此共有66 组独立测量值。最后在上位机通过一定的图像重建算法，利用这66 个电阻值重建内部液体电导分布的实时图像。