專利名稱：檢測流體中各物質分布圖像的裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于層析成像技術領域，涉及一種檢測流體中各物質分布圖像的裝置及利用該裝置進行流體中各物質分布圖像檢測的方法。

背景技術：
層析成像技術(CT)是一種利用源-探測器掃描或以固定結構排列的方式，對物體進行探測，測量得到的投影數(shù)據(jù)經(jīng)過與測量過程物理背景有關的圖像重建算法處理，最后以圖像的形式反映被測物體截面信息的技術。
CT技術始于1917年J.Radon提出的圖像重建理論，1963年美國物理學家Cormack發(fā)展了X射線CT的準確數(shù)學方法，1973年第一臺X射線斷層掃描儀由G.N.Hounsfield博士發(fā)明，CT的物理背景非常廣泛，如各種射線、電磁場、光、聲等都可以作為被測參量信息的載體。隨著科學研究和工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，CT的一系列分支應運而生并在醫(yī)療、生物組織研究及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領域得到廣泛應用，并有力地促進著不同學科之間的融合。
光CT由光過程CT(OPT)、光相干CT(OCT)和光彌散CT(DOT)三大子分支組成，1995年OPT的一個新的分支——光纖過程層析成像技術(OFPT)由于光纖傳感技術(OFS)的引入而誕生。OFPT主要測量對象是工業(yè)體系中廣泛存在并對產(chǎn)品質量、成本及生產(chǎn)安全具有重要影響的多相流，具有OFS分辨率高、體積小、抗電磁干擾等一般優(yōu)點。與光纖探針測量方式相比，OFPT可同時得到截面全部相關信息的獨特優(yōu)點，OFPT是過程層析成像技術中一個新的研究熱點。
在專利CN1372165A中，發(fā)明人已提出了一種新型的應用于圓形結構的光纖過程層析成像的像素分配和平面光路設計的方法，該方法針對了原有方法中方形像素和掃描方法的不足之處，即方形像素并不適合于圓形的截面，會帶來理論上的誤差，而在各種掃描方式，如正交、直線、三直線、扇形等掃描結構中，也都與圓形結構不匹配，而新的結構無論在像素分配還是光路布局上都是圓對稱的。
但上述專利也有不足之處，由于采用了傳感單元和像素個數(shù)相關聯(lián)的方法，使得像素的個數(shù)較少，否則就需要大量的傳感器單元，無論在系統(tǒng)的復雜性和成本上都是不可取的，由于系統(tǒng)無掃描裝置，使得層析成像系統(tǒng)投影數(shù)目較少，重建精度不高，很大程度上限制了該結構的具體應用。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種檢測流體中各物質分布圖像的裝置及方法。該方法通過獨立設計像素與平面光路結構，并采用旋轉掃描的方法，利用較少的光纖傳感器單元即可得到較高圖像重建分辨率。
本發(fā)明裝置包括檢測環(huán)和八個傳感單元。所述的檢測環(huán)為透明的且兩端開放的圓柱筒形，沿檢測環(huán)外側壁的圓周設置有支架和檢測臺。所述的支架為圓環(huán)形，支架的內側壁與檢測環(huán)的外側壁固定連接；所述的檢測臺為圓環(huán)形，檢測臺設置在支架上，檢測臺與支架之間設置有軸承，檢測臺的內側壁與檢測環(huán)外側壁之間設置有滾珠。檢測臺與電機配合連接，檢測臺可在支架上相對于檢測環(huán)以及支架轉動。
檢測臺的上端面沿圓環(huán)圓周均勻分布八組放置槽，每組放置槽包括成扇形分布的七個放置槽，七個放置槽的前端點構成的圓弧與后端點構成的圓弧具有同一圓心，且該圓心位于檢測環(huán)的內側壁上。每組放置槽中中間的放置槽沿圓環(huán)的徑向設置，兩邊各設置三個放置槽，相鄰的兩個放置槽的夾角為22.5度。
每個傳感單元包括七個準直器，七個準直器分別設置在一組的七個放置槽上。每個傳感單元的中間一個準直器與Y形分路器的單端口連接，Y形分路器的雙端口中的一個端口與激光器的輸出端連接，Y形分路器的雙端口中的另一個端口與探測器的輸入端連接。每個傳感單元一邊相鄰的三個準直器分別與三個激光器的輸出端連接，另一邊相鄰的三個準直器分別與三個探測器的輸入端連接。每個傳感單元的與激光器連接的三個準直器以及與探測器連接的三個準直器在七個準直器中的位置相同。
三十二個探測器與三十二路數(shù)據(jù)采集卡連接，三十二路數(shù)據(jù)采集卡與PC機連接。
具體的檢測方法是 步驟(1)將檢測環(huán)安裝在待檢測的管路上，檢測環(huán)與待檢測的管路同軸密封設置，讓待檢測流體流過檢測環(huán)；打開所有的三十二個激光器和三十二個探測器，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過檢測流體，將檢測流體中在該光路上的物質分布信息加載到光信號上，由對應的探測器接收該光信號并轉換為電信號；數(shù)據(jù)采集卡采集得到三十二個探測器的電信號； 步驟(2)將檢測臺旋轉45度，在旋轉過程中數(shù)據(jù)采集卡按照設定的采樣頻率對三十二個探測器輸出的電信號進行采集； 步驟(3)由PC機中軟件對步驟(1)和步驟(2)采集到的電信號進行處理，最終得到待檢測流體中各物質的分布圖像。
本發(fā)明中的像素個數(shù)、掃描角度以及掃描速度均可根據(jù)掃描空間的大小和分辨率要求設定，本發(fā)明所設計的結構效率高，應用范圍廣泛。本發(fā)明主要用于各種二相流體(如氣/液、氣/固、液/固二相流等)，也可以用于具有不同吸收系數(shù)的氣/氣、液/液物質分布的檢測，在工業(yè)生產(chǎn)及研究領域具有廣泛的應用價值。
本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術具有以下有益效果 1、該裝置檢測精度高、利用該裝置實現(xiàn)圖像成像的方法簡單 2、與其它光纖過程層析成像相比，相同數(shù)目的光纖傳感器提取的信息量更大，效率更高。
3、傳感器的數(shù)目較少，由于傳感單元的布局是圓對稱結構，因此無需將圓周旋轉2π，而只需π/4即可，不僅降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，而且，加快了掃描和處理的速度。



圖1為本發(fā)明裝置的結構示意圖； 圖2為圖1的局部放大示意圖； 圖3為圖1中檢測臺上放置槽布局示意圖； 圖4為圖1中一個傳感單元結構示意圖； 圖5為平面光路示意圖； 圖6為圖像重建區(qū)域中像素分配示意圖。

具體實施例方式 如圖1所示，檢測流體中各物質分布圖像的裝置包括檢測環(huán)1和八個傳感單元2。
如圖2所示，檢測環(huán)1為透明的且兩端開放的圓柱筒形，沿檢測環(huán)1外側壁的圓周設置有支架6和檢測臺5。支架6為圓環(huán)形，支架6的內側壁與檢測環(huán)1的外側壁固定連接。檢測臺5為圓環(huán)形，檢測臺5設置在支架6上，檢測臺5與支架6之間設置有軸承7，檢測臺5的內側壁與檢測環(huán)1外側壁之間設置有滾珠8。檢測臺5與電機配合連接，檢測臺5可在支架6上相對于檢測環(huán)1以及支架6轉動。
如圖3所示，檢測臺5的上端面沿圓環(huán)圓周均勻分布八組放置槽，每組放置槽包括成扇形分布的七個放置槽9-1～9-7，七個放置槽的前端點構成的圓弧與后端點構成的圓弧具有同一圓心，且該圓心位于檢測環(huán)1的內側壁上。每組放置槽中中間的放置槽9-4沿圓環(huán)的徑向設置，兩邊各設置三個放置槽9-1～9-3和9-5～9-7，相鄰的兩個放置槽的夾角為22.5度。
如圖4所示，每個傳感單元包括七個準直器13-1～13-7，七個準直器13-1～13-7分別設置在一組的七個放置槽9-1～9-7上。每個傳感單元的中間一個準直器13-4與Y形分路器10的單端口連接，Y形分路器10的雙端口中的一個端口與激光器11-4的輸出端連接，Y形分路器10的雙端口中的另一個端口與探測器12-4的輸入端連接。每個傳感單元一邊相鄰的三個準直器13-1～13-3分別與三個激光器11-1～11-3的輸出端連接，另一邊相鄰的三個準直器13-5～13-7分別與三個探測器12-1～12-3的輸入端連接。每個傳感單元的與激光器連接的三個準直器以及與探測器連接的三個準直器在七個準直器中的位置相同。三十二個探測器與三十二路數(shù)據(jù)采集卡連接，三十二路數(shù)據(jù)采集卡與PC機連接。
利用該裝置進行檢測的方法是 步驟(1)將檢測環(huán)1安裝在待檢測的管路3上，檢測環(huán)1與待檢測的管路3同軸密封設置，讓待檢測流體4流過檢測環(huán)1；打開所有的三十二個激光器和三十二個探測器，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過檢測流體，將檢測流體中在該光路上的物質分布信息加載到光信號上，由對應的探測器接收該光信號并轉換為電信號；數(shù)據(jù)采集卡采集得到三十二個探測器的電信號； 步驟(2)將檢測臺旋轉45度，在旋轉過程中數(shù)據(jù)采集卡按照設定的采樣頻率對三十二個探測器輸出的電信號進行采集； 步驟(3)由PC機中軟件對步驟(1)和步驟(2)采集到的電信號進行處理，最終得到待檢測流體中各物質的分布圖像。
具體如下 如圖5所示，設被測圓面的半徑為R，大圓被分為m個同心圓，即m層，定義像素的面積是中心最小圓面積的1/4，則共有4m2個像素(圖中每一扇形塊為一像素)，設層之間的距離為a，則a＝R/m，一個像素的面積為πa2/4。
傳感單元位置分別是(R，0)，(R，π/4)，(R，π/2)，(R，3π/4)，(R，π)，(R，5π/4)，(R，3π/2)，(R，7π/4)，即 在旋轉的狀態(tài)下，每個傳感單元的位置都在變化，如果右旋，則傳感單元位置隨旋轉角度φ的變化為 總的像素個數(shù)n為 n＝4m2 (3) 每一層中像素的個數(shù)為 ni＝4(2i-1) (4) 若像素的序號如圖6所示(圖中每一扇形塊為一像素)，則對于像素Pij，其分布范圍可以表示為 a(i-1)≤r≤ai(5-1) 其中，i為層的序號，i的范圍為從1到m，j為層內像素的序號，j的范圍為從1到4(2i-1)，因此對應于Pij位置的像素的序號可以表示為 由圖5可知，共有4種光線，即最外層光線L1、第二層光線L2、第三層光線L3和最內層光線L4，共32條光線，其中最內層光線是雙向傳播的，各光線可以用一個統(tǒng)一的表達式來表達，即 其中，sgn為符號函數(shù)，J表示光線的種類，如外層、第二層、第三層以及內層光線等，I表示不同層的光線的序號。
在圓周右旋時，方程可以表示為 由光線的幾何結構可知，光線LIJ的極坐標范圍為 則對照像素方程，可以先確定光線LIJ分布在哪幾層上，若光線LIJ分布的最小的像素層為k，則令 并由定義R＝am，可得 (12) 其中，INT函數(shù)為對所得到的值取整數(shù)部分，由此可知，光線lIJ分布在從第k層到第m層上，再確定光線經(jīng)過了哪一層的哪一個像素，即同時確定像素方程中i和j的值，方法如下，關鍵是找到光線從某層到相鄰層轉折的像素標號，即當角度為某個值時，r改變的那個像素的標號，光線方程(12)可以改寫為 當a(k-1)≤r≤ak時，說明像素在第k層，即 當k不是光線lIJ通過的最小像素層時，光線在該像素層被分為兩段，令 當k是光線lIJ通過的最小像素層時，光線在該層是一個連續(xù)的區(qū)域，即φ2＝φ3＝(2I-2+J)π/8，當k＝1時，θ為定值，即φ1＝φ2＝φ3＝φ4＝(2I-2+J)π/8，則光線lIJ在第k層中的角度范圍為 φ1≤θ≤φ2 (16-1) φ3≤θ≤φ4 (16-2) 由于第k層一共有4(2k-1)個像素，所以光線lIJ在第k層中的像素的序號為 當系統(tǒng)右旋時，光線lIJ在第k層中的角度范圍變?yōu)? φ1-Δφ≤θ≤φ2-Δφ (18-1) φ3-Δφ≤θ≤φ4-Δφ (18-2) 當系統(tǒng)旋轉時，上式中的角度將出現(xiàn)負值，需要加2π來修正，隨著旋轉角度的不同，將有如下幾種情況 (1)當φ≤φ1時 (2)當φ1≤φ≤φ2時 (3)當φ2≤φ≤φ3時 (4)當φ3≤φ≤φ4時 (5)當φ4≤φ≤2π時 當像素序號確定后，就可以根據(jù)像素方程(6)確定像素的標號。設系統(tǒng)每隔Δφ角度采樣一次，系統(tǒng)共旋轉π/4角度，則總共得到的光衰減方程為， 一條光線的光衰減方程可以表示為 即 其中，Iin和Iout分別是輸入輸出光的強度，物質i的光吸收系數(shù)αi，可以測量得到，物質i中的光程zi在系統(tǒng)設計完成后即確定。實際上，被測區(qū)域已經(jīng)被劃分為面積相等的像素單元，每一單元代表一種物質，因此，αi和zi分別是光路上物質i的光吸收系數(shù)和光路長度。不同的光線一般有不同的αi和zi，對于不同位置的光線，i的值一般是不同的。如果所有的接收光強或光電信號在數(shù)據(jù)采集階段都已通過測量得到，物質的分布就可以通過基于公式(28)的方程組解出。
因此全部光線的光衰減方程組可以寫為 AX＝B (27) 其中A為NL×n階矩陣，NL為方程數(shù)(總的投影數(shù))，n為系統(tǒng)中總的像素的數(shù)目，即未知數(shù)的個數(shù)，A代表光線在像素中的光路長度矩陣，A的列代表不同光線，A的行代表不同光線通過像素的光路長度，當像素個數(shù)很多時，A為一個稀疏矩陣，X為n×1階矩陣，代表像素的吸收系數(shù)，B也為n×1階矩陣，為每一路光線入射和出射光強度之比值的自然對數(shù)，解方程組(27)，即可得到所有像素的值，從而確定二相流的分布情況。
系統(tǒng)理論上的相對分辨率為 若圓周半徑為R＝50mm，理論的相對分辨率設定為χ＝0.25％，則由式(30)圓面應當分為m＝10層，共有像素的個數(shù)n＝400個，由于系統(tǒng)每旋轉π/4便恢復原位，因此系統(tǒng)只需旋轉

角度，若系統(tǒng)采樣次數(shù)為1000次，每次有投影光線的數(shù)目為32條，則可建立32000個光衰減方程，未知數(shù)的個數(shù)為400個，可采用最小二乘法來提高方程求解的精度，對于氣體的分布，由于界面沒有反射，因此可以直接用光吸收定律建立簡單的光傳輸模型，若被測的是復雜的氣/液或液/液二相流，則需要考慮界面的反射、折射等效應，但由于光路的準直性，任何光路上的反射和折射都將使光無法被對應探測器所接收，由于光纖準直器的數(shù)值孔徑非常小，從一條光路上反射的光一般無法被另一條光路的探測器所接收，因此這種情況下物質相當于不透光的，大大簡化了重建模型和算法的復雜性。
權利要求
1.檢測流體中各物質分布圖像的裝置，包括檢測環(huán)和八個傳感單元，其特征在于
所述的檢測環(huán)為透明的且兩端開放的圓柱筒形，沿檢測環(huán)外側壁的圓周設置有支架和檢測臺；所述的支架為圓環(huán)形，支架的內側壁與檢測環(huán)的外側壁固定連接；所述的檢測臺為圓環(huán)形，檢測臺設置在支架上，檢測臺與支架之間設置有軸承，檢測臺的內側壁與檢測環(huán)外側壁之間設置有滾珠；檢測臺與電機配合連接，檢測臺可在支架上相對于檢測環(huán)以及支架轉動；
檢測臺的上端面沿圓環(huán)圓周均勻分布八組放置槽，每組放置槽包括成扇形分布的七個放置槽，七個放置槽的前端點構成的圓弧與后端點構成的圓弧具有同一圓心，且該圓心位于檢測環(huán)的內側壁上；每組放置槽中中間的放置槽沿圓環(huán)的徑向設置，兩邊各設置三個放置槽，相鄰的兩個放置槽的夾角為22.5度；
每個傳感單元包括七個準直器，七個準直器分別設置在一組的七個放置槽上；每個傳感單元的中間一個準直器與Y形分路器的單端口連接，Y形分路器的雙端口中的一個端口與激光器的輸出端連接，Y形分路器的雙端口中的另一個端口與探測器的輸入端連接；每個傳感單元一邊相鄰的三個準直器分別與三個激光器的輸出端連接，另一邊相鄰的三個準直器分別與三個探測器的輸入端連接；每個傳感單元的與激光器連接的三個準直器以及與探測器連接的三個準直器在七個準直器中的位置相同；
三十二個探測器與三十二路數(shù)據(jù)采集卡連接，三十二路數(shù)據(jù)采集卡與PC機連接。
2.利用權利要求1所述的檢測流體中各物質分布圖像裝置進行檢測的方法，其特征在于該方法的具體步驟是
步驟(1)將檢測環(huán)安裝在待檢測的管路上，檢測環(huán)與待檢測的管路同軸密封設置，讓待檢測流體流過檢測環(huán)；打開所有的三十二個激光器和三十二個探測器，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過檢測流體，將檢測流體中在該光路上的物質分布信息加載到光信號上，由對應的探測器接收該光信號并轉換為電信號；數(shù)據(jù)采集卡采集得到三十二個探測器的電信號；
步驟(2)將檢測臺旋轉45度，在旋轉過程中數(shù)據(jù)采集卡按照設定的采樣頻率對三十二個探測器輸出的電信號進行采集；
步驟(3)由PC機中軟件對步驟(1)和步驟(2)采集到的電信號進行處理，最終得到待檢測流體中各物質的分布圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及檢測流體中各物質分布圖像的裝置及方法?，F(xiàn)有裝置結構復雜、精度不高。本發(fā)明包括檢測環(huán)和八個傳感單元。檢測環(huán)外側壁的檢測臺可相對于檢測環(huán)轉動。檢測臺上端面分布八組放置槽，每組七個。每個傳感單元包括七個準直器，中間一個與Y形分路器的單端口連接，雙端口與激光器和探測器分別連接。兩邊相鄰的三個準直器分別與三個激光器和三個探測器連接。檢測時將檢測環(huán)安裝在待檢測的管路上，待檢測流體流過檢測環(huán)，數(shù)據(jù)采集卡采集得到三十二個電信號；將檢測臺旋轉45度，再次采集電信號，通過處理，得到分布圖像。本發(fā)明通過獨立設計像素與平面光路結構，并采用旋轉掃描的方法，利用較少的光纖傳感器單元即可得到較高圖像重建分辨率。
文檔編號G01N21/01GK101726460SQ20091015551
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權日2009年12月17日
發(fā)明者閻春生, 廖延彪, 賴淑蓉 申請人:浙江大學