ECT传感器电势测量方法

　　电容层析成像(ECT)技术由于具有非侵入性、传感器结构简单、成本低等优点,因此具有极大的工业应用价值[1]. ECT通过测量布置在管道或容器周围的阵列电极间的电容值,反演获取其内部介电常数分布ε(x,y)信息.在过去20多年的发展中,研究比较集中在较大尺寸的多相管流中[2-3].随着微机械和纳米科技的发展,人们开始对微观领域的研究发生了兴趣,如ECT已被应用于检测生物芯片上微通道内流型信息,制药业中微反应器内化学物质混合情况等.目前,已有相当多的学者对微型ECT传感器开展了研究工作[4].

　　然而,对微型ECT传感系统,受限于应用场合,极片轴向长度极短,势必造成极片间互电容极小.而极片的轴向长度在实际的测量过程是比较关键的因素之一,较长的电极轴向长度必然带来较大的空间滤波效应.这一对“矛盾”在实际测量过程中总是存在着,至今没有得到良好的解决.在理想二维成像假设条件下,所给测量值应该独立于电极的轴向长度.本文的理论研究表明,

　　在理想条件下,悬浮极片上的电势测量值与极片的轴向长度无关.电势测量方法将更适合于微型ECT传感器系统.本文最后还从电势测量值给出了利用非线性GA-ECT技术[5]进行图象重建的结果.

　　1　归一化目的和解决的途径

　　在二维ECT系统图象重建之前,通常对电容测量值进行归一化处理,使用电容并联或串联模型分别有

　　式中,Chij,Clij,Cmij分别表示测量区域内充满高、低电介质和存在某种介质分布时i,j电极对间的电容.归一化值λij或λ′ij取决于传感器的构造,如极片的张角θ,管道内外半径的比值Rin/Rout,填充层和内径的比值(Rfill-Rin) /Rin以及管道内介质分布比例,但是独立于管道的实际尺寸,如图1所示.因此,当上述参数保持不变时,基于不同的管道尺寸的电容归一化值λij或λ′ij将保持不变.二维假设中,归一化的目的之一在于消除实际的电极轴向长度对仿真逆向计算的影响.

　　可是,在应用传统的电容测量方法进行实际测量过程中,电容值本身在归一化之前需要精确的测量.对微型ECT传感器来说,受微型通道和容器结构的限制,极片的轴向长度很小,相应的电容值也很小,但考虑到检测电路灵敏度的要求,极片的轴向长度又不能太短.

　　具有长电极的ECT传感器固然灵敏度较高,但同时存在较大的空间滤波效应,使得这样的系统不适合提供ECT实际所需要的截面流型信息.传感器作为空间低通滤波器,敏感区域比其实际几何尺寸要大[6-7].并且,若轴向极片较长,很难保证实际介质分布沿轴向保持不变,这与二维假设的初衷又产生了矛盾.可见,采用长电极,可增加信号的强度,提高灵敏度却造成轴向分辨率的降低;采用短极片,可提高轴向分辨率,却对信号强度有着副作用.这正是电容测量方法应用于微型ECT传感器的问题所在.