電傳感器的應(yīng)用研究

摘要：以電阻抗斷層成像方法為基礎(chǔ)，分析了以物質(zhì)介電常數(shù)成像的電傳感器，在此基礎(chǔ)上研究了不同介電常數(shù)、電荷密度、電勢差等相關(guān)參數(shù)對電傳感器的成像影響。結(jié)果表明：在以電介質(zhì)介電常數(shù)為機(jī)理的電傳感器應(yīng)用中，物體和周圍介質(zhì)的介電常數(shù)比值是成像效果的重要影響因素，而電勢差對成像效果的影響甚微。

關(guān)鍵詞：傳感器;靜電電荷;介電常數(shù)

中圖分類號：TP301.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（ 2019） 24-0206-03

1 引言

電阻抗斷層成像方法，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷中，由于機(jī)體中不同器官和組織的電阻抗特性的差別，能夠?qū)Ω髌鞴俸徒M織進(jìn)行形態(tài)的檢測和定位，便于診斷一些病變組織和器官，目前關(guān)于電阻抗斷層成像的研究較多，大多基于各器官的電阻抗特性進(jìn)行診斷，而關(guān)于各器官的介電常數(shù)成像的較少，有也是集中在物體介電常數(shù)成像的方法介研究[1-4]，對影響成像的參數(shù)的研究則較少。本文以簡單的模型來研究介電常數(shù)成像的特征及其參數(shù)影響，試圖為醫(yī)療診斷提供理論依據(jù)。

2 基本原理

根據(jù)電介質(zhì)中的高斯定理：

3 數(shù)值模擬

本文利用Comsol軟件模擬了利用外加電場診斷皮膚組織內(nèi)部出現(xiàn)病變組織的情況，利用簡單模型研究了不同組織的表面電荷分布和電位移分布等特征，由于不同組織中介電常數(shù)的不同，所以利用表面電荷密度分布即可對不同組織成像，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析討論。

人體組織、器官是非常復(fù)雜的，為了簡單模擬不同組織在皮膚下的成像情況，對相關(guān)問題進(jìn)行了簡化處理，用不規(guī)則形狀1替代組織，用圓柱形2來替代皮膚組織下的血管，對其進(jìn)行網(wǎng)格化處理，平面圖如圖1所示，在此基礎(chǔ)上研究不同介電常數(shù)、電荷密度、電勢差等相關(guān)參數(shù)對靜電傳感器系統(tǒng)的成像影響。

靜電傳感器的成像影響參數(shù)中非常關(guān)鍵的因素為物體的介電常數(shù)與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)的比值，圖2是不同介電常數(shù)的同一形狀的物體在同一介質(zhì)中的成像情況，在研究過程中，保持圓柱體的介電常數(shù)不變，其中圖2（a）是不規(guī)則形狀物體1的介電常數(shù)和周圍環(huán)境介電常數(shù)的比值為1.5：1時(shí)的成像情況，圖2（b）是不規(guī)則形狀物體1的介電常數(shù)和周圍環(huán)境介電常數(shù)的比值為2：1時(shí)的成像情況，圖2（c）是不規(guī)則形狀物體1的介電常數(shù)和周圍環(huán)境介電常數(shù)的比值為2.5：1時(shí)的成像情況，對比可以看出，當(dāng)不規(guī)則形狀物體與周圍環(huán)境的介電常數(shù)比值較小時(shí)，根據(jù)兩種介質(zhì)表面電荷分布與介電常數(shù)的關(guān)系，可以看出，物體成較為模糊的相，與周圍介質(zhì)邊界模糊，只能得到大致模糊的影像，當(dāng)所加電壓等參數(shù)不變時(shí)，物體的介電常數(shù)和周圍介質(zhì)介電常數(shù)比值增大到2：1時(shí)，如圖2（b）所示，物體成像較圖2（a）相比，清晰程度有了明顯的增加，能夠看清楚物體的輪廓，但是物體和介質(zhì)邊緣仍然比較模糊，繼續(xù)增加物體的介電常數(shù)和介電常數(shù)的比值，使其達(dá)到2.5：1時(shí)，可以看到物體呈現(xiàn)較為清晰的相，和介質(zhì)的邊界清晰可見。綜上所述，物體的介電常數(shù)與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)的比值是影響成像的關(guān)鍵因素。

為了研究電勢對介質(zhì)中物體表面成像的影響，研究了當(dāng)介質(zhì)和物體介電常數(shù)比值不變時(shí)，不同電勢差下，圓柱表面的電荷密度和介質(zhì)表面電荷隨x方向距離的變化曲線，如圖3所示，圖3（a）和（b）分別是當(dāng)介質(zhì)上下表面電勢差為0. 5V和IV時(shí)，圓柱表面的電荷密度和介質(zhì)表面電荷隨x方向距離的變化曲線，其中紅色的曲線表明圓柱表面的電荷密度變化曲線，黑色曲線代表介質(zhì)表面電荷密度的變化曲線，由圖2的討論可知，成像效果的重要因素是物體和周圍介質(zhì)電荷密度的比值，經(jīng)過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)介質(zhì)上下表面的電勢差發(fā)生變化時(shí)，圓柱表面的電荷密度和介質(zhì)表面電荷隨x方向距離的變化規(guī)律是相似的，并且同一位置處，隨著電勢差的改變，圓柱表面的電荷密度和介質(zhì)表面電荷的比值相近，這說明：電勢差的改變，并不會明顯改變成像的清晰程度。

4 結(jié)語

本文以電阻抗斷層成像方法為基礎(chǔ)，研究了以物質(zhì)介電常數(shù)成像的電傳感器，在此基礎(chǔ)上研究物體和介質(zhì)的介電常數(shù)比值、電荷密度、介質(zhì)上下表面電勢差等相關(guān)參數(shù)對電傳感器系統(tǒng)的成像影響。研究結(jié)果表明：在以電介質(zhì)介電常數(shù)為機(jī)理的電傳感器應(yīng)用中，物體和周圍介質(zhì)的靜電常數(shù)比值是成像效果的重要影響因素，二者比值越大，成像效果越好，而電勢差對成像效果的影響甚微。

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收稿日期：2019-11-14

基金項(xiàng)目：寧夏高等學(xué)校一流學(xué)科建設(shè)（教育學(xué)學(xué)科）項(xiàng)目（編號：NXYLXK2017Bll）;寧夏師范學(xué)院201 9年度校級本科教學(xué)項(xiàng)目（編號：NJ201904）

作者簡介：趙飛燕（1981-），女，講師，研究方向?yàn)殡娮与娐吩O(shè)計(jì)。