单电极激励模式电阻层析成像系统技术方案

本发明专利技术涉及一种层析成像及信号处理技术。单电极激励模式电阻层析成像系统主要由电极阵列传感器、电极选通逻辑、信号发生、信号预处理、数据采集、逻辑控制、计算机等模块组成。电极阵列传感器模块由１～１６层电极组成，每层放置１６或３２个电极，每层电极模块具有不同的逻辑地址使能，由电极选通逻辑模块对每层电极模块进行选择，同时对每一层电极模块中１６或３２个电极的激励、检测和外接电阻进行选择。信号发生模块产生双极性方波电压信号，经过压控恒流源转换成双极性方波电流信号。信号预处理模块对检测到的外接电阻上的电压值进行预处理，预处理后的信号送到数据采集模块中，最后由计算机模块通过查询方式将数据进行处理或图像重建。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于检测
，具体涉及一种层析成像及信号处理技术。
技术介绍
电阻层析成像(ERT)技术的物理基础是不同媒质具有不同的电导率，判断出敏感场的电导率分布便可知物场的媒质分布。目前采用的主要工作方式为单层16电极相邻激励、相邻检测方式。其中激励信号为正弦波交流电流信号，检测信号为相邻电极对上的边界电压信号。当物场内电导率分布变化时，电流场的分布将会随之变化，导致场内电势分布变化，从而场域边界上的测量电压也要发生变化。测量边界上的电压并通过相应的成像算法，可以重建场内电导率分布，实现可视化测量。相邻模式在传统电阻层析成像系统中的应用最为广泛，该方式已开始用于某些领域的在线运行。但在电阻层析成像技术发展过程中，该方式主要暴露出3个问题①由于未检测激励源及邻近的三对电极，因此得到的边界电压数据信息不充分。根据互易原理，单层16个电极循环检测一周测量的有效数据为104个。②激励电流主要流经激励电极附近的区域，导致电流分布不均匀，激励源附近区域非常敏感，因而造成非均匀媒质的加权系数不易给定。③检测电极端缺少接地点，使检测的数据易受干扰影响。这些问题都直接或间接影响电阻层析成像系统的性能。虽然研究人员在加快数据采集速度、提高系统性能方面提出了很多改进和优化措施，如采用并行测量、改进滤波器的滤波时间、优化系统电极、改进成像算法等，但由于其设计原理本身的局限性，导致数据采集速度和精度的提升空间受到很大的限制。这是传统的电阻层析成像系统难以解决的问题。针对这一问题，本系统采用了单电极激励的工作模式，基于单电极激励模式进行系统的硬件设计，增加了系统独立测量数，提高了系统的实时性。
技术实现思路
针对传统电阻层析成像系统数据采集模式存在的问题，以及系统的实时性和电路复杂性等问题，本专利技术的目的是提出了一种单电极激励的数据采集模式，并根据此模式进行硬件系统的设计。本专利技术的技术方案为(参照附图1～5)单电极激励模式系统主要由电极阵列传感器模块1、电极选通逻辑模块2、信号发生模块3、信号预处理模块4、数据采集模块5、逻辑控制模块6、计算机模块7和外接电阻8组成(如图1)。其中电极阵列传感器模块1由1～16层电极组成，每层放置16或32个电极(如图2所示)。每层电极模块具有不同的逻辑地址使能，由电极选通逻辑模块2对每层电极模块进行选择。电极选通逻辑模块2(如图3)可以选通单层电极模块也可以多层电极模块同时选通。同时电极选通逻辑模块2对每一层电极模块中16或32个电极的激励、检测和外接电阻进行选择。信号发生模块3产生双极性方波电压信号，经过信号发生模块3中的压控恒流源转换成双极性方波电流信号。由信号预处理模块4对检测到的外接电阻8上的电压值进行预处理并送至数据采集模块5(如图4所示)。信号预处理模块4输出的信号输入到A/D转换器16中，转换数据在定时/计数器18的控制下存贮到数据存储器17。然后由计算机7通过查询方式将数据存储器17中的数据读入，进行数据分析或图像重建，计算机7给出的控制信号通过逻辑控制模块6送到各个模块进行控制。信号预处理模块4与数据采集模块5通过数据线进行连接，数据采集模块5与逻辑控制模块6通过控制线进行连接。本专利技术产生的积极效果在于(1)采用的数据采集模式对每层16或32个电极系统激励一周可以得到240或992个测量数据，跟据互易定理独立数据为120或496个，比目前单层16电极系统的104个独立数据增加了16个，比单层32电极系统的464个独立数据增加了32个。(2)采用的数据测量模式对于单层16电极的圆形管道，在系统工作时16个电极均有电流通过，其中一个电极通过的是激励电流，其余通过的为检测电流，所有检测电流之和等于激励电流。由于每个电极都有电流通过，这就使检测到的电流变得均匀，且对敏感场的灵敏度分布有所改善。(3)本专利技术的激励方式为单电极，其余为检测电极，因此检测到的电极范围变大，不存在激励电极邻近的电极不被检测的现象。(4)单电极激励系统采用双极性方波电流激励信号设计，检测到的信号也为双极性方波信号。双极性方波信号解决了电极极化的问题，同时在方波的每半个周期内，相当于一个直流信号，这样易于处理。因此系统的硬件结构得到了简化，同时直流信号不需要解调和低通滤波环节，大大的提高了系统的实时性。附图说明附图1为本专利技术系统结构图。附图2为电极模块结构图。附图3电极选通逻辑模块结构图。附图4数据采集模块结构图。附图5逻辑控制模块结构图。附图6为单电极激励模式空场数据。附图7为气泡位于不同位置的比较数据。附图8为气泡位于物场中间的测量数据。其中1-传感器模块；2-电极选通逻辑模块；3-信号发生模块；4-信号预处理模块；5-数据采集模块；6-逻辑控制模块；7-计算机；8-外接电阻；9-锁存器；10-译码器；11-A/D转换器；12-数据存储器；13-定时/计数器。具体实施例方式以下通过具体实施例对本专利技术作进一步的说明。按附图1将各组件通过数据线、地址线、控制线等连接构成了单电极激励的电阻层析成像系统。本实施方案中只用到了2层电极模块，每层16个电极，外接电阻8设定为80Ω，激励电流设定为10mA。方波信号发生器由一片MAX系列的信号发生芯片组成；信号发生模块3中压控恒流源由两片仪表放大器组成；过零检测由一片运算放大器组成；电极选通逻辑模块由五片8进8出锁存器、一片8选1、四片16选1和二片16选15译码器组成；信号预处理模块由两片PGA放大器组成；数据采集模块由一片A/D转换器、一片数据存储器、一片定时/计数器组成。逻辑控制模块由2片8进8出锁存器和一片16选1译码器组成。首先计算机7通过地址线选择双极性方波信号发生器的幅值和频率，产生双极性方波电压信号，电压信号一路通过压控恒流源转变为双极性方波电流信号，另一路经过运算放大器通过数据线送给计算机做同步信号。电极选通逻辑模块由计算机发出地址信号对激励、检测、外接电阻的导通进行选择。检测到的信号通过数据线送到信号预处理模块，由计算机通过地址线对信号预处理模块的放大倍数进行选择，预处理后的信号通过数据线送到数据采集模块，由A/D转换器进行模数转换，转换数据在定时/计数器的控制下存储到数据存储器中，最后传送给计算机进行成像或数据的分析和处理。逻辑控制模块由计算机通过地址线对芯片的逻辑使能进行控制。。以下从空场实验数据和有气泡实验数据两种情况进行验证。实验例1、利用本专利技术对空场实验数据分析场内介质电导率为9.865ms/cm。图6为单电极激励模式系统所采集到的空场数据，该组数据的特点在于首先从图上可以看出，数据采集受到的干扰很小，数据分布对称性好，说明方波激励信号在单电极激励系统中能够得到了很好的应用；其次是此组数据的最大差值不超过2.5倍，且数据均不接近于零，这就说明单电极激励模式采集到的数据均匀性很好。因此从空场数据上可以肯定，基于单电极激励模式的电阻层析成像系统的性能可靠。实验例2、气泡靠近电极与位于管道中心的实验数据比较以15mm的气泡位于管道靠近各个电极的实验为例，当气泡分别靠近各个电极时，所得比较数据如图7所示。由于单电极激励系统数据的对称性，这里只给出了气泡位于1～7电极处的数据分布，从图中很显然可以看出气泡的位置信息。气泡紧贴电极时，由于其对敏感本文档来自技高网...

【技术保护点】
单电极激励的电阻层析成像系统，主要由电极阵列传感器模块（１）、电极选通逻辑模块（２）、信号发生模块（３）、信号预处理模块（４）、数据采集模块（５）、逻辑控制模块（６）、计算机模块（７）和外接电阻（８）组成，其特征是电极阵列传感器模块（１）由１～１６层电极组成，每层放置１６或３２个电极，每层电极模块具有不同的逻辑地址，由电极选通逻辑模块（２）对每层电极模块进行选择；同时所述电极选通逻辑模块（２）对每一层电极模块中１６或３２个电极的激励、检测和外接电阻进行选择；信号发生模块（３）产生双极性方波电压信号，经过信号发生模块（３）中的压控恒流源转换成双极性方波电流信号；由信号预处理模块（４）对外接电阻（８）的电压值进行预处理送至数据采集模块（５），由计算机模块（７）通过查询方式将数据进行处理或图像重建。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董峰，贾秀权，刘军文，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]