电容层析成像技术的成像原理
电容层析成像技术
电容层析成像技术电容层析成像技术（Electrical Capacitance Tomography，ECT）是一种非侵入性的成像技术，通过测量物体内部电容变化来获取物体内部的分布信息。
该技术可以广泛应用于工业过程监测、医学影像诊断、环境监测等领域，具有成本低、无辐射、适用于多相流体等优点。
电容层析成像技术的原理是基于电容效应。
当物体中存在电介质时，电容值会发生变化。
通过测量物体表面上的电容值的变化，可以反推出物体内部的电容分布情况。
为了实现电容层析成像，需要在被测物体周围放置多个电极，通过测量电极之间的电容变化来重构物体的电容分布图像。
电容层析成像技术的优点之一是成本低。
相比于传统的成像技术，如X射线、磁共振成像等，电容层析成像技术的设备成本较低，可以广泛应用于工业领域。
此外，电容层析成像技术无需使用任何放射性物质，对人体和环境无害。
因此，在医学影像诊断、环境监测等领域有着广阔的应用前景。
在工业过程监测方面，电容层析成像技术可以用于流体分布、浓度分布、气泡分布等的监测和控制。
例如，在化工生产中，可以通过电容层析成像技术实时监测和控制反应器内部物料的流动情况，以提高生产效率和质量。
在石油行业，电容层析成像技术可以用于油井的监测和控制，实现油井的优化生产。
在医学影像诊断方面，电容层析成像技术可以用于肺部和胸腔的成像。
通过测量呼吸过程中胸腔内部的电容变化，可以获取肺部的分布情况，从而帮助医生进行肺部疾病的诊断。
此外，电容层析成像技术还可以应用于心血管系统的成像，通过测量心脏内部的电容变化来获取心脏的分布情况，帮助医生诊断心脏病。
在环境监测方面，电容层析成像技术可以用于土壤含水量的监测和控制。
通过测量土壤中水分含量引起的电容变化，可以实时监测土壤中的水分分布情况，为农业灌溉和环境保护提供科学依据。
电容层析成像技术是一种非侵入性的成像技术，具有成本低、无辐射、适用于多相流体等优点。
在工业过程监测、医学影像诊断、环境监测等领域有着广阔的应用前景。
电容层析成像
Байду номын сангаас分离
分离对工业过程的质量和产量影响甚大。大多数对两种化合物进行分离的测量与抽样技术仅 能在量少的情况下进行。这会导致不确定性的产生和效率不高。过程层析成像技术是批量处 理数据，并能提供多个数据点，使用户能够更准确地管理分离过程。 水力旋流器——电子层析成像可以调查水力旋流器的性能。装在水力旋流器栓塞上的层析成 像传感器可以测量空气芯的直径。这有助于调查故障和提高过程性能。这个例子展示了粘土 矿里装上传感器的水力旋流器和两个栓塞的相对性能，利用此性能可以确定最佳的操作压力。 主要的好处：通过在线测量空气芯的直径优化性能；诊断故障；在水利旋流器内可视化状态。
水平检测——两种不混液体之间，液体和泡沫或液体和浆液中的固体成分之间，凝胶或软固 和液体上清液之间都存在着界面。如果肉眼看不到或视线指 标线无法显示，界面这时会很难确定，尤其是固定位置的单点测量，因此无法应付变化的水 平。过程层析成像探测器可以实时测量容器内不同组成的深度。层析成像探测器的好处是， 它可以留在过程流中，不影响过程条件，并且扫描所有的深度。探测器非常坚固耐用，能够 接受温度、压力、化学品和
流体
流动过程可能包括多种状态（气体，液体或者固体），它们的性质是复杂的。电容层析成像 技术能实时显示流体的性质，无论材料是否透明，帮助大家来理解复杂的流动过程。主要的 好处：增强对过程的理解，优化计算模型；设计流系统更有信心且节省成本；减低能源消耗。 固-液流 CSIRO（澳大利亚墨尔本）需要一种测量技术来测量研究和工业用途的固-液流粒子和流液的 特性。由于设备强劲、性质简单且无任何放射性或危险成分，电阻层析成像 (ERT) 系统符 合此标准。这意味着设备可以容易地在地上和地下采矿点进行操作。对直径为 100 毫米的 流循环进行测量，等级接近 2 毫米的石英砂悬浮在清澈剪切致稀的聚合悬浮物内。这些“模 式”的悬浮物模仿双模悬浮物的行为，其粒子包含了精细流变活跃粒子的大部分，形成一个 非牛顿载流子，并将粗粒级悬浮起来，如同矿场共同处理线的状况一样。
12电极电容层析成像系统的设计
12电极电容层析成像系统的设计孟宪永;杨晓光【摘要】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.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2011(024)004【总页数】3页(P132-134)【关键词】电容层析成像;转换电路;ECT基本原理【作者】孟宪永;杨晓光【作者单位】唐山民和科技有限公司,河北唐山063000;河北工业大学电气工程学院,天津300130【正文语种】中文【中图分类】TB470 引言电容层析成像ECT（Electrical Capacitance Tomography）技术是一项于20世纪80年代提出的过程成像新技术。
该项技术是目前公认的最具发展前景的多相流检测技术之一 [1～4]，它具有结构简单，响应速度快，采用非侵入式等特点。
到目前为止，ECT系统中有多种电容检测方法，本文介绍了基于交流激励的电容测量电路，并对电路工作原理进行了重点介绍，同时着重分析了CMOS开关的导通电阻和杂散电容对整个电路的影响。
1 ECT基本原理及组成ECT测量原理是：多相流体各分相介质具有不同的介电常数，当各相组分浓度及分布发生变化时，会引起多相流混合体等价介电常数的变化，从而使测量电容值随之发生变化，电容值的大小反映多相流介质相浓度的大小和分布状况。
电容层析成像系统主要由电容传感器、数据采集系统、成像系统等三部分组成。
ECT系统的总体组成框图如图1所示。
整个系统的工作原理：信号发生器产生的正弦激励信号经CMOS模拟开关作用于传感器极板，极板在控制电路作用下，选择其中任意2极板分别做激励电极和检测电极，交流C/V转换电路把此电容信号转换成与之相对应的交流电压信号，然后通过放大电路对C/V转换电路输出的交流电压信号进行放大，放大后的电压信号经相敏解调电路及滤波电路后转变为直流电压信号[5～7]。
电容层析成像的技术应用研究
电子技术Electronic Technology电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering电容层析成像的技术应用研究胡叶容(深圳职业技术学院广东省深圳市518055 )摘要：衣文中所要研究的主要内容便是电容层析成像技术，该技术是以医学CT 技术为基础，结合计算机技术以及传感器技术发展 起来的一种过程层析成像技术。
电容层析成像技术在当前的发展过程中十分重要，因而对其实际的应用进行研究有着重要的意义，以下便 针对不同结构的电容传感器进行比较，并结合传感器参数的优化方法进行总结。
关键词：电容层析成像；传感器技术；电容传感器1引言电容层析成像技术简称ECT ，该技术是过程层析成像技术的一 种，过程层析成像技术的发展最初是于20世纪末形成的，过程层 析成像技术正式形成后便得到了快速的发展，在短短几十年的发展 过程中有了极大的改善。
当前过程层析成像技术的主要研究对象为 两相流或是多相流，其过程参数主要包含:维或：•:维分布状况的实 时检测技术。
过程层析成像技术应用过程中主要是依据Radon 原理， 在一定条件下，任何N 维物体都可以通过无限多个N -1维投影进 行重建，此外，P T 技术本质上还能够实现系统对被测对象的某种 物理特性分布进行Radon 的变化以逆变化过程。
当前对于P T 技术 的研究往往将其分为三个部分，分别为ECT 技术、电阻层成像技 术以及电磁层成像技术，这三部分技术的应用原理有着很大的不同， 在使用过程中最终所测得的信号分别是电容信号、电阻信号以及感 应磁场信号，根据其信号的不同也可以进行场内介质介电常数、电 阻率分布等进行分析。
2 E C T 技术传感器系统及测量和数据采集系统的研究分析2. 1 ECT 系统与其他PT 技术简要介绍分析如表1所示，P T 技术包含三个部分，分别为ECT 、ERT 以及 EMT ，ECT 技术作为PT 技术的一部分，其基本的应用原理主要是 利用多项介质所具备的不同介电常数，由此通过电容传感器来得到 相应的介质分布图像。
图像融合理论在电容层析成像中的应用
（ ）假设 介 电常数分 布对 传感器 的灵 敏 度分 １
布影 响可 以忽 略 （ 即不考 虑软场 效应 ） ； （ ） 电 容 变 化 是 由 介 电 常 数 的 均 匀 变 化 ２
所致 。
对 多源 图 像 进 行 融 合 要 比设 计 一 个 能 够 生 成具 有融 合 图像 性 质 的传 感 器 要 更 加 方 便 和 经
多相 流 动过 程 在 工 业 中普 遍 存 在 。２ Ｏ世 纪
８ ０年代 中后 期 一些 专 家 和 学 者 将 医学 中 的计 算
机断层 扫 描成 像 （ ｏ ｕｅｉ ｄ Ｔ ｍｏ ｒｐ ｙ 简 Ｃ ｍｐ ｔｒ ｅ ｏ ｇ ａ ｈ ， ｚ 称 Ｃ 技 术引入 工业 生 产过 程 中 ， 用非 接 触 或 Ｔ） 采
Ｚ ＨＯ Ｕ ａ － ｎｇ Ｘｉ ｏ ｎｉ
（ ＩＰ ｗｅ ｇｎ ｅｉｇＣｏ ，Ｌｔ ． ＣＰ ｏ ｒＥｎ ｉｅ ｒｎ ． ｄ ，Ｈａｙ ｎ ６ １ ０，Ｃ ｉａ ｉａ ｇ２ ５ ０ ｈｎ ）
Ａｂｓｒ ｃ ： ｔ ａ ｔ Ｒｅｇ ｒ ｎｇ ｉ ａ ｅ ｒ ｏ ｔ ｕ ｔｏｎ， ａ ｎｔｏｄｕ ｔｏ ｉ ｉ ｇ ｐｒ ｓ ｎｔ ｄ ｔ ｔ ｏｎｆｇ ａ ｉ ｎｄ ａ ｄｉ ｍ ｇ ｅｃ ｎｓｒ ｃ ｉ ｎｉ ｒ ｃ ｉ ｎ ｓ ｂｅ ｎ ｅ ｅ ｅ ｏ ｈｅ ｃ ｉ ｕｒ ｔｏｎ ａ ｆ ｄａ ｅｎ ａｌ ｅ ｅ ｔ ｉａ ｃ ｐａ ｉａ ｅ ｏｍ ｏｇ ａ ｕｎ ｍ ｔ ｓｏｆ ｌ ｃ ｒｃ ｌ ａ ｃ ｔ ｎｃ ｔ ｒ ｐｈｙ， ａ ｔ ｆ ｓｏｎ ｎｄ ｈｅ ｕ ｉ ｍ ｅ ｈｏｄ ｎｄ ｕｌｓ ｔ ａ ｒ ｅ ｏｆ ｕ ｔ— ｅ ｏｌ ｉ ｍ ｌｉｒ ｓ ｕｔｏｎ
Ｌ Ｐ法 的基 本 原 理 是 将 电容 值 看 作 是 检 测 Ｂ
常用原油含水率测试方法
常用原油含水率测试方法1、原油含水率静态测试方法分析原油含水率静态测试方法是通过人工取样后运用物理或化学方法实现油水分离后计算原油含水率。
目前主要的静态测试方法有蒸馏法、电脱法、卡尔·费休法。
1.1、蒸馏法蒸馏法的测试原理是通过加热原油将油和水分离，分别测试原油质量以及蒸发出的水分质量，并计算出水分的质量分数。
蒸馏法的测试过程是在原油中加入与水不相溶的溶剂，在原油与溶剂混合以后并开始回流的条件下加热，此时原油、水分和溶剂在沸腾状态时会一起蒸发出来，溶剂因沸点最低第一个被气化，之后水分通过冷凝管进入水分接收器中，通过水分接收器的刻度读出水分的含量，从而计算出原油含水率。
图1为实验装置的示意图。
图1 实验装置示意图最初实验室通常采用蒸馏法测试原油含水率，但石油生产行业主要根据《原油水含量测定法一蒸馏法》(GB/T8929-1988)来测试，石油加工行业则按《石油产品水含量测定法一蒸馏法》(GB/T260-1988)测试。
GB/T8929-1988使用有较大毒性的二甲苯做溶剂，对操作人员危害大，同时也污染样品和环境;GB/T260-1988则以直馏汽油80℃以上的馏分做溶剂，尽管毒性不大，但是测试的结果误差太大。
1.2电脱法电脱法的测试原理是通过高压电场，利用电破乳技术使油水分离，来测试原油的含水率。
这种方法适合一些仪器的设计开发，例如Dst-III石油含水电脱分析仪。
电脱法的分析液量大、分析速度快，操作简单、无“二次采样”误差以及安全可靠等优点使其备受青睐。
但是电脱法同样存在着一些缺点，如在脱水过程中，油样需要加温，易使原油剧烈沸腾而外溢，与带电的内、外电极裸露的金属部分触碰，易引起电击危险。
图2为原油含水电脱分析仪结构示意图。
图2 原油含水电脱分析仪结构示意图1.3卡尔·费休法卡尔·费休法是实验室中标准的微量水分测试方法，对于有机液体，是国际国标方法《原油水含量测定卡尔费休库仑滴定法(GB/T 11146-2009 )。
电容层析成像技术中影响图像重建质量的因素分析
电容层析成像技术中影响图像重建质量的因素分析高彦丽【摘要】电容层析成像技术(ECT)作为一种多相流参数检测技术,具有快速、非侵入、结构简单、无辐射、成本低等特点,而图像重建质量和速度是阻碍电容层析成像技术工业应用的关键性问题,本文讨论了影响图像重建的因素,在采用线性反投影算法、正则化求逆算法以及迭代法的基础上,研究了单元划分数目、有限元形状、极板数以及介电常数四种因素对成像质量的影响.研究结果对获得最佳成像效果具有一定的指导意义.【期刊名称】《华东交通大学学报》【年(卷),期】2009(026)001【总页数】5页(P62-66)【关键词】电容层析成像;图像重建;像素;有限元分析【作者】高彦丽【作者单位】华东交通大学,电气与电子工程学院,江西,南昌,330013【正文语种】中文【中图分类】TP212电容层析成像技术(ECT)是20世纪80年代发展起来的一种多相流参数检测技术.其工作原理是依靠检测非导电物场内介质分布变化引起的电容值变化，通过某种图像重建算法来反演物场内的介质分布，从而实现对多相流参数的测量.该方法具有快速、不干扰流场、结构简单、无辐射、成本低的特点，可以用来测量多相流尤其是气固两相流的流动分布［1～4］.电容层析成像系统的结构如图1所示，主要由三部分组成，分别为电容传感器阵列、数据采集和信号处理电路以及控制和成像计算机系统.电容传感器阵列把物场介质变化转化为对应的电容变化;数据采集和信号处理系统负责电容的测量及其信号的传输处理;控制和成像计算机系统依据反映物场特性参数的投影数据，采用定性或定量的图像重建算法，完成由投影数据到图像这一逆问题的求解，并通过计算机显示出来.常用的图像重建算法有线性反投影算法(LBP)［5］、正则化求逆算法［6］(MLRR)以及迭代法［7］等.影响图像重建质量的因素很多，除图像重建算法、投影数据的精确性等会直接从根本上影响图像质量外［8］，单元划分数目、有限元形状、极板数以及介电常数等其它因素也会影响图像质量，而这方面的研究却少有报道.本文在采用线性反投影算法、正则化求逆算法以及迭代法的基础上，研究了单元划分数目、有限元形状、极板数以及介电常数四种因素对成像质量的影响.研究结果对获得最佳成像效果具有一定的指导意义.单元划分数目即图像的像素个数，通常来讲，在传感器极板数一定的条件下，成像区域内像素个数划分得越多，会使得重建图像轮廓越平滑，从而越接近原始图像.如图2所示单元划分数为800的成像效果无论从图像轮廓还是占空比上都优于单元数为500的重建图像可见单元划分数目(像素)多，在一定程度上可提高成像质量. 然而像素个数和成像时间呈近似线性的关系［9］，因此通过增大单元划分数目提高成像质量是以牺牲图像重建速率为代价的.而且，作者通过研究发现像素个数并非与成像质量成正比关系，如图3所示，图中ZE表示成像质量，N表示像数个数.a～n1段曲线呈上升趋势，说明像数越多，图像轮廓越平滑，越接近原始图像;n1～n2段是平稳段，说明成像质量不再随像数个数的增加而提高;N＞n2段曲线呈下降趋势，说明像素过多，逆问题的求解变得更加困难，病态性加强，成像质量变差了.因此，像素个数并非越多越好，它只是在一定程度上影响成像质量.实际应用时，应根据成像速率以及成像的空间分辨率的要求，在n1～n2段确定像素个数.目前ECT技术中有限元划分主要有两种形状，一种是五面体，一种是六面体［3］.为研究不同的有限元划分形状对成像质量的影响，本文研究了在LBP、迭代法以及MLRR三种成像算法下，有限元划分形状分别为五面体和六面体时的成像效果，研究结果如表1所示.从表中可以看出，两幅不同占空比的原始图像分别在有限元划分为五面体、六面体下的成像效果与单元划分形状没有明显关系.现有文献报道中两种划分方式均有采用，各有优缺点.有限元划分为五面体形状可以利用对称性旋转快速获取物场灵敏度［9］，而有限元为六面体形状时，不具备对称性，因此灵敏度的获取速度慢，但六面体更具美观性.传感器极板数增加，独立电容测量值的数目增加，可以获取更多的信息，有望使成像质量得到改善，如图4所示.但是，在保持有限元剖分数不变的条件下，12电极ECT系统的敏感场矩阵的条件数远远大于8电极ECT传感器的敏感场矩阵的条件数，这意味着12电极系统虽然比8电极系统能提供更多的测量值，但其病态性也比8电极系统较为严重［10］，测量电容值C的微小扰动会对图像灰度G的解产生很大影响;再者以增加极板数量以获取更多的信息，还要良好性能的硬件测量电路作为基础，因为极板数增多，极板的面积就要减小，无论是静态电容还是动态电容值都将会减小的;并且极板数的增加也意味着成像速率的降低.因此，常用的以8和12极板的ECT系统居多.ECT系统使用前需要经过以下两个过程:(1)系统标定［4、11］，即确定高/低介电常数相分别充满管道时相应各极板对的电容值，测量数据归一化时用;(2)确定出给定高/低介电常数时所对应的重建图像矩阵(MLRR法)或灵敏度分布矩阵(LBP法).但ECT系统在实际应用中会碰到这样的问题:有些应用对象无法直接测得高/低介电常数相分别充满管道时相应各极板对的电容值;成像对象的介电常数在不同的工作条件下发生波动;成像对象的介电常数不易确定.文献［12］探讨了ECT系统对未知介电常数对象的图像重建方法;文献［9］总结了高介电常数相介电常数变化对成像质量的影响.本文研究了不同介电常数的成像效果，仿真结果如图5所示.总结图中结果可以得出以下结论:(1)不同的成像算法下，成像质量受介电常数变化的影响不同.图5中，模型1对象介电常数分别由6波动为1.8、3、10，模型2对象介电常数由1.8变为5，当采用MLRR时，模型1和2在不同的对象介电常数下的成像效果差别很大，而当采用LBP和迭代算法时成像效果相差不大.结果表明LBP法受到的介电常数变化影响最小;迭代法受到的影响较LBP法大些，因其需要利用已知的灵敏度分布对图像进行修正;MLRR法的成像质量受到介电常数变化的影响较大，因为回归矩阵取决于介电常数.(2)对成像质量的影响起决定性作用的，并不是灵敏度矩阵而是归一化的电容值.因为一定的介电常数范围内相同的极板对形成的灵敏度分布图总体上具有相似的形状，并且灵敏度变化的方向和介电常数的变化方向一致［7］，这也是利用已知介电常数的灵敏度分布代替未知介电常数对象的灵敏度分布的依据.但是当有些应用对象无法直接侧得高/低介电常数相分别充满管道时相应各极板对的电容值，而利用已知介电常数的仿真值代替对测量值进行归一化，这是成像误差的一个来源.(3)仿真实验还表明介电常数在正负小范围内变化对成像质量几乎没有影响.(4)介电常数负波动对成像效果的影响比较大，而介电常数的正波动对成像效果影响不大，甚至会改善成像效果.见图5模型1.文献［13］的报道也表明应用低介电参数的物质标定可以提高成像的效果和质量.综上，ECT系统在实际应用中，应尽可能准确的估计出高低介电常数相的介电常数，估计出它们的变化范围，选择合适的算法来进行图像重建.高低介电常数均变化的情况下，不同模型利用不同算法受到的影响程度的定量化以及如何把影响减小到最小等还需要进一步的研究工作去做.除了图像重建算法、电容投影数据直接决定重建图像的质量外，上述仿真研究表明，有限元像素的划分数、极板数以及介电常数的波动也在一定程度上与成像质量有关.将ECT技术应用于工业现场时，为了设计最优传感器结构，需要开展进一步的建模工作，包括研究最优电极数、最优剖分策略以及最优测量方案，可参考上述结果，设计好每个环节的参数，选择适当的图像重建算法以达到最好的测量结果.【相关文献】［1］徐苓安，等.过程层析成像技术的研究现状和发展趋势［C］.西安:中国仪器仪表学会过程检测控制分会第三届年会论文集(过程控制仪表及系统)，1995:63－72.［2］傅文利，赵进创.管路堵塞的电容层析成像可视化监测［J］.微计算机信息，2006，12(1):113－114.［3］赵进创.电容层析成像技术及在两相流可视化监测种的应用研究［D］.沈阳:东北大学，2001. ［4］Yang W Q.Calibration of capacitance tomography systems:a new method for setting system measurement range［J］.Meas.Sci.Technol，1996，25(7):863－867.［5］Bolton G T，Korchinsky W J，Waterfall R C.Calibration of capacitance tomography systems for liquid-liquid dispersions［J］.Meas.Sci.Technol，1998，27(9):1 797－1 800. ［6］Xie C G.Review of image reconstruction methods for process tomography［C］.Proceedings of ECAPT’93，Karlsruhe，Gemany，1993:115－119.［7］Yan H，Liu L J，Xu H，et al.Image reconstruction in electrical capacitance tomography using multiple linear regression and regularization［J］.Meas.Sci.Technol，2001，30(12):579－581.［8］曹琳琳.电容层析成像系统图像重建算法的研究［J］.微计算机信息，2007，6(3):272－274. ［9］颜华.电容层析成像技术及在高炉块状区物料可视化检测中应用的基础研究［D］.沈阳:东北大学，1999.［10］五强.电容成像图像重建算法原理及评价［J］.清华大学学报(自然科学版)，2004，44(4):478－484.［11］Yang W Q，D M Spink，T A York，et al.An image-reconstruction algorithm based on landweber’s iteration method for electrical－capacitance tomography［J］.Meas.Sci.Technol.1999，28(10):1 065-1 069.［12］赵进创，王师，等.ECT对未知介电常数对象的图像重建方法探讨［J］.东北大学学报，2000，21(s1):153－156.［13］阎润生，刘石，王海刚，等.ECT技术对成像的影响——用低介电参数物质标定［J］.石油化工高等学校学报，2004，17(1):52－54.。
电容层析成像图像重建算法研究
电容层析成像图像重建算法研究刘传美【摘要】图像重建算法是电容层析成像系统的关键技术之一,是改善重建图像质量的重要因素.在正则化的基础上提出了一种基于QR分解的电容层析成像算法,该方法首先将离散化和线性化处理后的电容层析成像物理模型进行Tikhonov正则化处理,然后将QR分解的思想引入电容层析成像方程中求解出初始图像,然后再对初始图像进行优化修正提高重建图像质量.成像结果表明,图像重建结果与实际相符,图像质量得到了改善.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2010(029)009【总页数】4页(P32-34,40)【关键词】电容层析成像;图像重建算法;正则化;优化修正;QR分解【作者】刘传美【作者单位】北方工业大学,机电工程学院自动化系,北京,100144【正文语种】中文【中图分类】TP301.6电容层析成像(ECT)技术是基于电容敏感原理的过程层析成像技术，运用传感器阵列形成旋转的空间敏感场，从不同的观测角度获得被测物场的介电常数分布信息，利用图像重建算法，显示被测物场的二维或三维介质分布图像。
典型的ECT系统结构主要由3部分构成：电容阵列传感器、数据采集系统和成像计算机。
其基本原理是：位于管道内具有不同介电常数的两相流在流动时，各相含量和分布不断变化，引起电容传感器不同极板间的电容值改变。
通过均匀安装在绝缘管道外壁的电容传感器检测出各电极间的电容值，送至数据采集系统。
数据采集系统将这些电容值转化为数字量并传送给成像计算机，根据某种图像重建算法重建出流体在截面的分布图像。
1 ECT系统图像重建算法ECT系统图像重建是一个逆问题，即通过有限个电容测量值将成像区域内的介电常数空间分布图重建出来。
由于电容层析成像系统本身固有的“软场”特性，且能得到的独立电容测量值数量非常有限，逆问题不存在解析解，图像重建的难度较大。
针对目前图像重建算法在成像质量和成像速率上存在的问题，本文提出一种基于QR分解的电容层析成像算法。
多相流的电容层析成像图像重建研究的开题报告
多相流的电容层析成像图像重建研究的开题报告
本研究的题目是基于多相流电容层析成像的图像重建研究，旨在探索一种新的多相流成像技术，以解决传统成像技术在测量多相流体系中存在的限制和缺陷。
目前在多相流测量中，成像技术发挥着重要的作用，其中电容层析成像技术被广泛应用。
电容层析成像利用电极将测量区域分解为一系列小区域，随后测量每个区域中的电容值，以此来反映流体的物理性质。
但是，在多相流体系中，由于不同液滴、气泡、固体颗粒等存在于同一测量区域，成像结果往往非常复杂，难以被准确解释。
为了解决这一问题，本研究将探究并优化电容层析成像技术，使其适用于多相流测量。
具体来说，本研究将通过改进电极设计和信号处理算法等方法，优化电容层析成像技术的测量精度和信噪比，从而实现对多相流测量的高精度、高分辨率成像。
该研究的研究对象是电容层析成像技术在多相流测量中的应用，研究方法主要包括实验室实验、数值模拟和数据分析等。
预计的成果包括多相流电容层析成像重建技术的设计、优化和验证，并通过实验验证其成像效果和精度。
本研究的成果将有助于提高多相流测量的精度和可靠性，对于工业生产以及环境保护等领域具有重要的应用价值。
总之，本研究旨在探索一种新的多相流成像技术，以优化电容层析成像技术在多相流测量中的应用，从而实现高精度、高分辨率的图像重建。
该研究具有重要的研究意义和应用价值，可以为多相流测量领域的发展做出一定的贡献。
基于COMSOL电容层析成像
( j=1,2…,8; j≠i)∪(x,y)哿(Γs+Γpg);Γ1,Γ2,…,Γ8为 8 个
电极的空间位置;Γs表示外层的屏蔽罩;Γpg表示 8 个径
向屏蔽板。
假设电极电压保持在稳定电压，传感器电极保持
接地（0V）。由式（1）的解 φ知电极上的总电荷为：
乙 q′i=
% 坠φ =dΩ 坠Ω 坠n
（2）
0引言 在电力、石油、化工、冶金、建材、食品等工业中，
存在大量的两相物质混合流动的情况，通常称之为两 相流。多相流动过程在工业中更是普遍存在的，且随 着经济的发展得到国内外学者的普遍重视。二十世纪 80 年代中后期一些专家和学者将医学中的计算机断 层扫描成像技术 （Computerized Tomography，简记为 CT 技术）引入工业生产过程中，采用非接触或非侵入 式传感器系统对封闭的过程管道、容器、反应器内部 物场变化行为进行非破坏性的可视化监测，从而形成 了过程层析成像技术，并迅速得到了发展[1]。
uuu
uuuu
uuu
uu
图 2 8 极电容传感器的横截面
Fig.2 Cross section of eight electrode capacitance
transducer
管道中的电荷密度通过对无磁场耦合的麦克斯
韦方程的合理简化与电势进行关联[2]：
Δ
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（e）
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在过程层析成像技术中，起步最早、发展最快的 就 是 电 容 层 析 成 像 技 术 （Electrical Capacitance Tomography,ECT），由于 ECT 技术具有不会对流场产 生干扰，不受固体浓度、加速度、透明度的限制，是一 种非侵入式、非辐射、结构简单、响应速度快的测量技
电容层析成像系统地研究和应用论文
第一章绪论１．１．２电容层析成像技术电容层析成像技术是ＰＴ技术中研究较早的一种，它是利用多相介质往往具有不同的介电常数，通过阵列电极电容变化，反映管道中多相介质分布，从而构造出管道中二维或三维的各相介质的分布图像。
电容层析成像系统主要包括３个基本部分：（１）由阵列式电极电容敏感系统构成的传感器系统；（２）数据采集与信号处理系统；（３）用于图像重建与分析显示的成像计算机，如图卜ｌ所示。
传感器系统通常由均匀安装在绝缘管道外壁的阵列电极构成，数据采集系统测量任意一对电极间的电容值，获得不同观察角度下的“投影数据”并馈入成像计算机。
对于Ⅳ个极板的传感器，可以得到Ⅳ（Ⅳ一１）／２个独立测量值。
计算机对数据采集过程进行控制，并且根据图像重建算法即可获得敏感场介质分布的二维或三维图像。
图卜１电容层析成像系统构成原理图经过近二十年的研究，ＥＣＴ技术在理论和应用领域取均得了很大的进展：１９８８年，ＵＭＩＳＴ的研究小组研制成功８电极电容层析成像系统【２】【３１。
１９９１年，ＵＭＩＳＴ的研究小组研制成功１２电极电容层析成像系统【４】。
该系统的电容数据采集单元采用电荷转移原理，用Ｔｒａｎｓｐｕｔｅｒ阵列式处理器对数据进行并行处理以提高系统的实时性，计算机采用ＰＣ４８６，并在流体实验装置上对油／气两相流进行了成像实验，将ＥＣＴ技术应用于监视管路中的油／气两相流。
１９９１年，美国能源部摩根城研究中心设计了１６电极电容层析成像系统ｆ５】【６１，用于研究流化床中的空隙率分布。
第二章电容层析成像正问题分析第二章电容层析成像正问题分析２．１ＥＣＴ的正问题和逆问题电磁场分析中存在正问题和逆问题的求解。
正问题是已知物场的分布和敏感场的初始及边界条件，求取电磁场的分布：逆问题则是根据电磁场的分布及边界条件等求取物场分布。
在ＥＣＴ系统中，电容传感器将敏感空间内两相／多相流体的分布转换为各电极对之间的电容值，即正问题求解。
ＥＣＴ技术发展至今，出现了许多不同的传感器结构，以ＵＭＩＳＴ研制的１２电极ＥＣＴ系统【２４］为例，该系统的传感器结构如图２一ｌ所示。
电容层析成像算法综述
电容层析成像算法综述Summary of Image Reconstruction Algorithm for ECT赵 波 陈至坤(河北理工大学计算机与自动控制学院，唐山 063009)摘 要：电容层析成像技术具有非侵入、响应快及易于安装等特点。
图像的重建算法与技术是电容成像在工业实际中得以应用的关键。
近年来在图像重建方面的研究取得了较大的进展，Tikhonov 正则法、Landweber 迭代法、同步跌代法、神经网络法、共轭梯度法及通用迭代法的图像重建质量较LBP 法有了明显提高。
关键词：电容层析成像 图像重建 重建算法中图分类号: TP319 文献标识码: AAbstract : Electronic capacitance tomography (ECT) features non-invasive, rapid response, and easy to install. Image reconstruction algorithm and technology is critical for application of ECT in practical industries. In recent years, the research on image reconstruction has obtained great progress; the quality of image reconstruction by Tikhonov regularization, Landweber iteration, simultaneous iterative reconstruction technique, neural network, conjugate gradient and general iterative schemes have improved obviously comparing with by LBP.Keywords : ECT Image reconstruction Reconstruction algorithm0 引言两相流参数（流型、浓度、速度、流量等）在线检测及控制在生产过程具有重要作用。
电容层析成像技术
电容层析成像技术电容层析成像技术（Capacitive Imaging）是一种非接触式的成像技术，它可以用于生物医学、机器人学、工业自动化等领域。
本文将介绍电容层析成像技术的工作原理、应用场景和局限性。
一、电容层析成像技术的工作原理电容层析成像技术利用电容传感阵列探测物体表面电容变化，通过计算机处理电容值变化，重建出物体表面的形态和电气特性。
电容传感阵列由铝箔电极构成，形成一个网状结构，位于物体上空，以固定的频率向物体表面施加电场。
当电场与物体表面相交时，产生电荷分布，形成电容变化。
传感器逐个扫描，采集每个像素的电容值数据，再通过图像处理算法实现成像。
二、电容层析成像技术的应用场景1. 生物医学：电容层析成像技术可以用于检测皮肤病变和深部组织结构成像，如乳腺癌检测、口腔癌检测等。
与传统的医学成像技术相比，电容层析成像技术具有无辐射、非侵入性、成本低等优点。
2. 机器人学：电容层析成像技术可以用于机器人的感知和导航，如实现室内移动机器人的自主避障和抓取控制。
3. 工业自动化：电容层析成像技术可以用于质量控制和产品检测，如检测传送带上的产品是否丢失或缺陷等。
三、电容层析成像技术的局限性1. 分辨率问题：电容层析成像技术的分辨率受限于电容传感阵列的大小和电场频率。
如果频率过高，电容值变化较小，信噪比降低；如果传感阵列太小，分辨率也会降低。
2. 对电介质敏感：电容层析成像技术对于电介质材料很敏感，电介质材料与空气的介电常数差距较大，会影响成像的准确性。
3. 成像速度较慢：电容层析成像技术需要逐个扫描电容传感阵列，采集数据后再进行图像处理，成像速度较慢，不适合快速应用场景。
总之，电容层析成像技术在特定场合下具有较高的应用价值，但同时也具有一些局限性。
研究人员需要不断研究和改进技术，提高其性能和应用范围。
电容层析成像
电容层析成像（ECT）电容层析成像技术（ECT，Electrical Capacotance Tomography）是过程层析成像技术（PT，Process Tomography）的一种，是20世纪80年代后期在医学CT技术基础上形成和发展起来的。
原理是根据被测物质各相具有不同的介电常数，当各相组分分布或浓度分布发生变化时，将引起混合流体等价介电常数发生变化，从而使测量电极对间的电容值发生变化，在此基础上，利用相应的图像重建算法重建被测物场的介电分布图。
ECT因具有快速、无损、廉价，灵活，兼容标准软件等优点而被认为是一种具有广阔发展前景的过程成像技术。
电容层析成像技术在国内现处于实验室研究阶段，离工业应用还有一段距离，上海沃埃得贸易有限公司引入了英国、美国两家供应商提供的仪器来满足国内各高校、研究所的不同需求。
1. ECVT Data Acquisition System:●Unique capacitance sensor with up to 36 plates●DAS-2 intermediary device between sensor and host PC●USB connection to host PC●All analysis and reconstruction occurs on PC2. ECVT Sensors:●Capacitance plates wrapped around vessel inside sensor housing●Common sensors have 12, 24, or 36 plates●Plates connect to DAS-2 with RF cables3. Data Acquisition System-2●Drives AC signals to and receives measurements from capacitor plates●Uses USB to communicate with host computer●Dynamic Link Library usage●5-Volt power source●Download software on CD to host PC●ECVT plate connections in groups of 6●Three 12-plate receiver cards may be installed●LEDs indicate power, run, and calibration status of DAS-2●Capacitance Reading Range: 1.1 fF (10-15 F) to 11 pF (10-12 F), 1 fF resolution●Relative Permittivity Range: 0.01 to 100 (Dynamic ratio of 1 to 10,000)●Typical Measurement Time: 18.1 μs (10-6 s)●For 24-plate setup, typical operating speed is 200 frames/second●Receiver cards work in parallel to increase speed。
电子元器件应用-电容层析成像系统敏感场研究
电容层析成像系统敏感场研究Study on Sensitive Field of Electrical Capacitance Tomography李 玮 陈至坤 王福斌 史 涛 郭建飞（河北理工大学计算机与自动控制学院，河北唐山 063009）摘 要：电容层析成像技术（ECT）是一种基于电容传感机理的过程成像技术，近年来发展迅速。
ECT传感器的敏感场分布是作为先验知识引入到管道截面图像重建中去的，其好坏对成像质量有很大影响，敏感场分布受成像介电常数分布的影响，因此具有软场特性。
本文建立了敏感场分布的数学模型及有限元模型，介绍了敏感场的计算方法，通过基于有限元模型的仿真试验分析研究了ECT传感器的软场特性以及影响敏感场分布的因素和规律。
关键词：电容层析成像 敏感场 软场Abstract：Electrical capacitance tomography is a process tomography based on capacitance sensor, which has been developed rapidly in recent years. The sensitivity distributions of capacitance tomography have great influence on the quality of reconstructed picture. The sensitivity distribution of the tomography must be defined before image reconstruction, which is affect by medium distribution and have the characteristic of “soft field”. This paper builds the mathematical and finite element model of the capacitance sensitivity field distribution and introduces the computing method of the sensitivity field. By the simulation on FEM model, it studies several factors and rules which affect sensitive field distribution.Key words：Electrical Capacitance tomography Sensitive field Soft field0 引言电容层析成像技术（Electrical Capacitance Tomography）简称ECT，是上世纪80年代末发展起来的一种多相流检测技术，可用于输油管道中的气/油两相流、气力输送中的气/固两相流等连续相为电介质的工业过程成像。
Huang族校正电容层析成像图像重建算法
Huang族校正电容层析成像图像重建算法陈宇;李洪宇【摘要】针对电容层析成像(ECT)技术中的“软场”效应和病态问题,提出了一种Huang族校正的电容层析成像图像重建算法.首先依据ECT系统的基本原理,推导出ECT问题中Huang族校正的校正公式,其次给出校正后用于ECT反问题求解仿真实验的迭代公式.最后,采用数字仿真模拟实验方式,验证提出方法的有效性.实验结果表明,Huang族校正方法对于极低位、低位、核心流而言,图像误差分别降到24.39％、25.81％和40.91％,均低于LBP、Landweber、SD和CG方法;对于极低位、低位及柱状流而言,迭代次数分别为12、12、27次,比Landweber算法和SD法都要低,综合分析,可知Huang族校正方法实验效果良好.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2018(023)005【总页数】6页(P80-85)【关键词】电容层析成像;Huang族校正;图像重建【作者】陈宇;李洪宇【作者单位】东北林业大学信息与计算机工程学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学信息与计算机工程学院,黑龙江哈尔滨150040【正文语种】中文【中图分类】TN911.730 引言过程层析成像技术简称为(process tomography,PT)技术。
其包括电容层析成像技术(electrical capacitance tomography, ECT)、电阻层析成像技术(electrical resistance tomography,ERT)和电磁层析成像技术(electromagnetic tomography,EMT)。
他们分别依据测量不同的电学特性，来进行相关信息的重建工作。
其中ECT技术就是利用传感器测量得到的电容信号，依照某种算法重建出介质内部的介电常数分布情况。
ECT技术作为PT技术的一种，相比其他PT技术而言，拥有诸多优点。
如成本低、可靠性高、简单易实现等[1-2]。