一種基于壓縮感知原理的導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布的測(cè)量方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于壓縮感知原理的導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布的測(cè)量方法和裝置，該方法包括：步驟一將含有數(shù)十至數(shù)百個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極的可編程開(kāi)關(guān)電極帶與待測(cè)導(dǎo)體的表面緊密貼合；通過(guò)計(jì)算機(jī)生成伯努力隨機(jī)采樣矩陣，從該矩陣中依次取出行向量；步驟二測(cè)得采樣矩陣中不同行向量對(duì)應(yīng)的電阻值，得出電阻采樣向量；步驟三根據(jù)不同檢測(cè)導(dǎo)體選擇對(duì)應(yīng)的稀疏變換，構(gòu)成超完備字典；步驟四利用恢復(fù)算法對(duì)待測(cè)導(dǎo)體電阻一維分布進(jìn)行重建，利用電阻率計(jì)算公式求得導(dǎo)體電阻率一維分布，再取倒數(shù)得到導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布結(jié)果。本發(fā)明具有測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高和測(cè)量快速等優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)現(xiàn)有電導(dǎo)率測(cè)量裝置的升級(jí)改造。
【專利說(shuō)明】一種基于壓縮感知原理的導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布的測(cè)量方法 和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種導(dǎo)體電導(dǎo)率的測(cè)量方法，特別是涉及一種基于壓縮感知原理的導(dǎo) 體電導(dǎo)率一維分布的測(cè)量方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 導(dǎo)體電導(dǎo)率的測(cè)量方法在各行業(yè)各領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用，如：水樣監(jiān)測(cè)、土壤分 析、材料檢驗(yàn)等。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)各種產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程有了更高的性 能和技術(shù)要求，這就需要對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各因素進(jìn)行嚴(yán)格的控制。導(dǎo)體電導(dǎo)率的測(cè)量方法適 用于導(dǎo)電紙厚度均勻性檢驗(yàn)測(cè)量，土壤樣品垂直分布檢驗(yàn)測(cè)量，電線電阻絲電導(dǎo)率檢驗(yàn)測(cè) 量，絕緣材料電導(dǎo)率檢驗(yàn)測(cè)量，導(dǎo)電尼龍電導(dǎo)率檢驗(yàn)測(cè)量等領(lǐng)域，但對(duì)導(dǎo)體電導(dǎo)率空間分布 的測(cè)量，目前還未見(jiàn)明確、成熟和具體的實(shí)現(xiàn)方法。
[0003] 中國(guó)專利申請(qǐng)201010188421. 3提出了"一種石墨電導(dǎo)率測(cè)量方法及測(cè)量裝置"， 雖然該方案具有操作簡(jiǎn)單、成本較低和適用于各種各向異性材料電導(dǎo)率測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，但還 存在以下明顯不足：一是測(cè)量N個(gè)點(diǎn)的電導(dǎo)率必須進(jìn)行N次測(cè)量，其測(cè)量次數(shù)多，帶來(lái)的系 統(tǒng)測(cè)量誤差大；二是每次測(cè)量均需移動(dòng)微位移移動(dòng)裝置，不僅浪費(fèi)大量時(shí)間，而且導(dǎo)體電導(dǎo) 率與溫度、濕度等環(huán)境因素密切相關(guān)，因測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)意及多次測(cè)量之間的環(huán)境因素干擾大， 將明顯增加單次測(cè)量誤差。
[0004] 中國(guó)專利申請(qǐng)201210305745. X提出了一種"三角波激勵(lì)并積分處理的溶液電導(dǎo) 率測(cè)量方法及關(guān)鍵電路"，雖然該方案具有消除電極分布電容的影響、消除隨機(jī)性干擾對(duì)測(cè) 量精度的影響提高測(cè)量穩(wěn)定度的優(yōu)點(diǎn)，但還存在以下明顯不足：一是僅能測(cè)量溶液整體的 電導(dǎo)率情況，不能具體測(cè)量溶液的電導(dǎo)率分布情況；二是無(wú)法測(cè)量溶液濃度的具體擴(kuò)散情 況。
[0005] 公知的壓縮感知（compressed sensing,簡(jiǎn)稱CS)理論使信號(hào)采集突破了奈奎斯 特采樣定理的限制，提出了只要信號(hào)是可壓縮的或在某個(gè)變換域是稀疏的，那么就可以用 一個(gè)與變換基不相關(guān)的觀測(cè)矩陣將變換所得高維信號(hào)投影到一個(gè)低維空間上，然后通過(guò)求 解一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題就可以從這些少量的投影中以高概率重構(gòu)出原信號(hào)的實(shí)現(xiàn)原理。如果利 用壓縮感知原理來(lái)進(jìn)行導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布的測(cè)量，可以只通過(guò)一個(gè)電導(dǎo)率檢測(cè)電路，經(jīng) 過(guò)多次利用可編程開(kāi)關(guān)組隨機(jī)組合對(duì)樣品進(jìn)行采樣，再通過(guò)一定的算法恢復(fù)，快速獲得更 為準(zhǔn)確的導(dǎo)體電導(dǎo)率分布結(jié)果。但目前還沒(méi)有見(jiàn)到利用壓縮感知原理來(lái)測(cè)量導(dǎo)體電導(dǎo)率一 維分布的方法。
[0006] 綜上所述，如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足已成為當(dāng)今導(dǎo)體電導(dǎo)率測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】中亟待 解決的重大難題之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種基于壓縮感知原理的導(dǎo) 體電導(dǎo)率一維分布的測(cè)量方法和裝置，本發(fā)明具有測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高和測(cè)量快速 等優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)現(xiàn)有電導(dǎo)率測(cè)量裝置的升級(jí)改造。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于壓縮感知原理的導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布的測(cè)量方法，其 特征在于包括如下具體步驟：
[0009] 步驟一，將含有數(shù)十至數(shù)百個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極的可編程開(kāi)關(guān)電極帶與待測(cè)導(dǎo)體的 表面緊密貼合；通過(guò)計(jì)算機(jī)生成伯努力隨機(jī)采樣矩陣，從該矩陣中依次取出行向量，再由計(jì) 算機(jī)輸出行向量信號(hào)至可編程開(kāi)關(guān)電極帶的控制端，控制數(shù)十至數(shù)百個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極的 通斷狀態(tài)，0對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)閉合，1對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；
[0010] 步驟二，通過(guò)電阻抗測(cè)試儀的測(cè)量電極接入待測(cè)導(dǎo)體兩端，測(cè)得采樣矩陣中不同 行向量對(duì)應(yīng)的電阻值，得出電阻采樣向量；
[0011] 步驟三，根據(jù)不同檢測(cè)導(dǎo)體選擇對(duì)應(yīng)的稀疏變換，構(gòu)成超完備字典；
[0012] 步驟四，利用恢復(fù)算法對(duì)待測(cè)導(dǎo)體電阻一維分布進(jìn)行重建，利用電阻率計(jì)算公式： P =RS/L，其中：P為電阻率、R為電阻值、L為待測(cè)導(dǎo)體的長(zhǎng)度、S為橫截面積，求得導(dǎo)體 電阻率一維分布，再取倒數(shù)得到導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布結(jié)果。
[0013] 本發(fā)明的測(cè)量方法進(jìn)一步的優(yōu)選方案在于：
[0014] 本發(fā)明步驟一所述將含有數(shù)十至數(shù)百個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極的可編程開(kāi)關(guān)電極帶與 待測(cè)導(dǎo)體的表面緊密貼合，是指每個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極在一維方向上相互串聯(lián)，并與待測(cè)導(dǎo) 體表面緊密貼合，形成可觀測(cè)掩模。
[0015] 本發(fā)明步驟一所述生成伯努力隨機(jī)采樣矩陣的構(gòu)造式為：矩陣φ e rmxn該矩陣 的每個(gè)元素獨(dú)立地服從對(duì)稱的伯努力分布，即：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓縮感知原理的導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布測(cè)量的方法，其特征在于包括如下具 體步驟： 步驟一，將含有數(shù)十至數(shù)百個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極的可編程開(kāi)關(guān)電極帶與待測(cè)導(dǎo)體的表面 緊密貼合；通過(guò)計(jì)算機(jī)生成伯努力隨機(jī)采樣矩陣，從該矩陣中依次取出行向量，再由計(jì)算機(jī) 輸出行向量信號(hào)至可編程開(kāi)關(guān)電極帶的控制端，控制數(shù)十至數(shù)百個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極的通斷 狀態(tài)，0對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)閉合，1對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)； 步驟二，通過(guò)電阻抗測(cè)試儀的測(cè)量電極接入待測(cè)導(dǎo)體兩端，測(cè)得采樣矩陣中不同行向 量對(duì)應(yīng)的電阻值，得出電阻采樣向量； 步驟三，根據(jù)不同檢測(cè)導(dǎo)體選擇對(duì)應(yīng)的稀疏變換，構(gòu)成超完備字典； 步驟四，利用恢復(fù)算法對(duì)待測(cè)導(dǎo)體電阻一維分布進(jìn)行重建，利用電阻率計(jì)算公式：P = RS/L，其中：P為電阻率、R為電阻、L為待測(cè)導(dǎo)體的長(zhǎng)度、S為橫截面積，求得導(dǎo)體電阻率 一維分布，再取倒數(shù)得到導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知原理的導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布測(cè)量方法，其特征 在于步驟一所述將含有數(shù)十至數(shù)百個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極的可編程開(kāi)關(guān)電極帶與待測(cè)導(dǎo)體的 表面緊密貼合，是指每個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極在一維方向上相互串聯(lián)，并與待測(cè)導(dǎo)體表面緊密 貼合，形成可觀測(cè)掩模。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知原理的導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布測(cè)量方法，其特征 在于步驟一所述生成伯努力隨機(jī)采樣矩陣的構(gòu)造式為：矩陣Φ e RMXN該矩陣的每個(gè)元素 獨(dú)立地服從對(duì)稱的伯努力分布，即：
由于在電路中只存在通斷兩種狀態(tài)，因此上式矩陣可簡(jiǎn)化為：
上式Φ3中的每一行視為一組控制向量，計(jì)算機(jī)依次根據(jù)該矩陣的行向量輸出 高低電平控制開(kāi)關(guān)，〇對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)閉合，即此開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的部分被測(cè)導(dǎo)體被開(kāi)關(guān)短路，該部分不 計(jì)入此時(shí)所得的電阻；1對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，即此部分計(jì)入此時(shí)所得的電阻。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知原理的導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布測(cè)量方法，其特 征在于步驟二所述電阻采樣向量，是指由采樣矩陣中不同行向量對(duì)應(yīng)得到多個(gè)電阻采樣值 pc再將所有的乘以
< 進(jìn)行歸一化，最終得到由Μ個(gè)線性投影觀測(cè)采樣值構(gòu)成 的電阻采樣向量Y=[yi，y2，…，yM]T e RM;其中：當(dāng)導(dǎo)體的電阻分布為N維實(shí)信號(hào)X=[Xl，x2，… ，χΝ]τ e rn，則此時(shí)的電阻采樣向量γ為對(duì)信號(hào)X執(zhí)行一個(gè)壓縮觀測(cè)的結(jié)果為υ=φχ。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知原理的一維電導(dǎo)率分布的測(cè)量方法，其特征在 于步驟三所述稀疏變換，是指從電阻采樣向量Υ中恢復(fù)導(dǎo)體電阻一維分布信號(hào)X，要求X為 稀疏向量或X在一個(gè)變換域中是稀疏的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知原理的一維電導(dǎo)率分布的測(cè)量方法，其特征在 于步驟四所述恢復(fù)算法，是指從電阻采樣向量Y中恢復(fù)一維導(dǎo)體電阻分布信號(hào)X是一個(gè)求 解線性方程組，在導(dǎo)體電阻一維分布信號(hào)X稀疏或可壓縮的前提下的求解欠定方程組：
s. t. Acs〇 = a ΦΧ=Υ。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的基于壓縮感知原理的一維電導(dǎo)率分布的測(cè)量方法，其特 征在于步驟四所述恢復(fù)算法為基追蹤法、匹配追蹤法、正交匹配追蹤法或共軛梯度法。
8. -種基于權(quán)利要求1所述的壓縮感知原理的導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布測(cè)量方法的裝置， 它包括電阻抗測(cè)試儀，其特征在于還包括電阻抗測(cè)試儀與可編程開(kāi)關(guān)電極帶和計(jì)算機(jī)依次 連接；其中：可編程開(kāi)關(guān)電極帶包括數(shù)十至數(shù)百個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極、含有單片機(jī)的控制單 元和通信接口，且可編程開(kāi)關(guān)電極帶的每個(gè)可編程開(kāi)關(guān)電極在一維方向上相互串聯(lián)并與待 測(cè)導(dǎo)體表面緊密貼合為可觀測(cè)掩模；可編程開(kāi)關(guān)電極帶、控制單元和通信接口依次連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于壓縮感知原理的一維電導(dǎo)率分布測(cè)量方法的裝置，其特 征在于計(jì)算機(jī)為含有matlab軟件、C++語(yǔ)言軟件或java軟件的計(jì)算機(jī)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的基于壓縮感知原理的一維電導(dǎo)率分布測(cè)量方法的裝置， 其特征在于所述單片機(jī)為51單片機(jī)、msp430單片機(jī)或atmega單片機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01R27/02GK104090164SQ201410164002
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】曹寧, 王偉, 黃崢 申請(qǐng)人:河海大學(xué)