电传感器的应用研究

摘要：以电阻抗断层成像方法为基础，分析了以物质介电常数成像的电传感器，在此基础上研究了不同介电常数、电荷密度、电势差等相关参数对电传感器的成像影响。结果表明：在以电介质介电常数为机理的电传感器应用中，物体和周围介质的介电常数比值是成像效果的重要影响因素，而电势差对成像效果的影响甚微。

关键词：传感器;静电电荷;介电常数

中图分类号：TP301.6

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（ 2019） 24-0206-03

1 引言

电阻抗断层成像方法，广泛应用于医疗诊断中，由于机体中不同器官和组织的电阻抗特性的差别，能够对各器官和组织进行形态的检测和定位，便于诊断一些病变组织和器官，目前关于电阻抗断层成像的研究较多，大多基于各器官的电阻抗特性进行诊断，而关于各器官的介电常数成像的较少，有也是集中在物体介电常数成像的方法介研究[1-4]，对影响成像的参数的研究则较少。本文以简单的模型来研究介电常数成像的特征及其参数影响，试图为医疗诊断提供理论依据。

2 基本原理

根据电介质中的高斯定理：

3 数值模拟

本文利用Comsol软件模拟了利用外加电场诊断皮肤组织内部出现病变组织的情况，利用简单模型研究了不同组织的表面电荷分布和电位移分布等特征，由于不同组织中介电常数的不同，所以利用表面电荷密度分布即可对不同组织成像，并对相关参数进行了分析讨论。

人体组织、器官是非常复杂的，为了简单模拟不同组织在皮肤下的成像情况，对相关问题进行了简化处理，用不规则形状1替代组织，用圆柱形2来替代皮肤组织下的血管，对其进行网格化处理，平面图如图1所示，在此基础上研究不同介电常数、电荷密度、电势差等相关参数对静电传感器系统的成像影响。

静电传感器的成像影响参数中非常关键的因素为物体的介电常数与周围介质的介电常数的比值，图2是不同介电常数的同一形状的物体在同一介质中的成像情况，在研究过程中，保持圆柱体的介电常数不变，其中图2（a）是不规则形状物体1的介电常数和周围环境介电常数的比值为1.5：1时的成像情况，图2（b）是不规则形状物体1的介电常数和周围环境介电常数的比值为2：1时的成像情况，图2（c）是不规则形状物体1的介电常数和周围环境介电常数的比值为2.5：1时的成像情况，对比可以看出，当不规则形状物体与周围环境的介电常数比值较小时，根据两种介质表面电荷分布与介电常数的关系，可以看出，物体成较为模糊的相，与周围介质边界模糊，只能得到大致模糊的影像，当所加电压等参数不变时，物体的介电常数和周围介质介电常数比值增大到2：1时，如图2（b）所示，物体成像较图2（a）相比，清晰程度有了明显的增加，能够看清楚物体的轮廓，但是物体和介质边缘仍然比较模糊，继续增加物体的介电常数和介电常数的比值，使其达到2.5：1时，可以看到物体呈现较为清晰的相，和介质的边界清晰可见。综上所述，物体的介电常数与周围介质的介电常数的比值是影响成像的关键因素。

为了研究电势对介质中物体表面成像的影响，研究了当介质和物体介电常数比值不变时，不同电势差下，圆柱表面的电荷密度和介质表面电荷随x方向距离的变化曲线，如图3所示，图3（a）和（b）分别是当介质上下表面电势差为0. 5V和IV时，圆柱表面的电荷密度和介质表面电荷随x方向距离的变化曲线，其中红色的曲线表明圆柱表面的电荷密度变化曲线，黑色曲线代表介质表面电荷密度的变化曲线，由图2的讨论可知，成像效果的重要因素是物体和周围介质电荷密度的比值，经过数值分析发现，当介质上下表面的电势差发生变化时，圆柱表面的电荷密度和介质表面电荷随x方向距离的变化规律是相似的，并且同一位置处，随着电势差的改变，圆柱表面的电荷密度和介质表面电荷的比值相近，这说明：电势差的改变，并不会明显改变成像的清晰程度。

4 结语

本文以电阻抗断层成像方法为基础，研究了以物质介电常数成像的电传感器，在此基础上研究物体和介质的介电常数比值、电荷密度、介质上下表面电势差等相关参数对电传感器系统的成像影响。研究结果表明：在以电介质介电常数为机理的电传感器应用中，物体和周围介质的静电常数比值是成像效果的重要影响因素，二者比值越大，成像效果越好，而电势差對成像效果的影响甚微。

参考文献：

[l]翁 道，汤其富，一种互补耦合型电磁感应式直线位移传感器的研究[J].传感技术学报，2019，32（7）：996-1002.

[2]彭东林，付敏，陈锡候，等.典型位移传感器分类研究与时栅传感器特点分析[J].机械工程学报，2018，54（10）：36-42.

[3]马晓妮，电阻抗成像系统的设计[D].南京：南京邮电大学，2014.

[4]国 磊.电阻抗成像系统的研究与设计[D].长春：吉林大学，2019.

收稿日期：2019-11-14

基金项目：宁夏高等学校一流学科建设（教育学学科）项目（编号：NXYLXK2017Bll）;宁夏师范学院201 9年度校级本科教学项目（编号：NJ201904）

作者简介：赵飞燕（1981-），女，讲师，研究方向为电子电路设计。