一種基于壓縮感知原理的導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布的測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)百個可編程開關(guān)電極的可編程開關(guān)電極帶與待測導(dǎo)體的表面緊密貼合；通過計算機生成伯努力隨機采樣矩陣，從該矩陣中依次取出行向量；步驟二測得采樣矩陣中不同行向量對應(yīng)的電阻值，得出電阻采樣向量；步驟三根據(jù)不同檢測導(dǎo)體選擇對應(yīng)的稀疏變換，構(gòu)成超完備字典；步驟四利用恢復(fù)算法對待測導(dǎo)體電阻一維分布進行重建，利用電阻率計算公式求得導(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)明具有測量過程簡便、測量精度高和測量快速等優(yōu)點，適用于對現(xiàn)有電導(dǎo)率測量裝置的升級改造。
【專利說明】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)率一維分布的測量方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 導(dǎo)體電導(dǎo)率的測量方法在各行業(yè)各領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用，如：水樣監(jiān)測、土壤分 析、材料檢驗等。隨著科技的進步，現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對各種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程有了更高的性 能和技術(shù)要求，這就需要對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各因素進行嚴格的控制。導(dǎo)體電導(dǎo)率的測量方法適 用于導(dǎo)電紙厚度均勻性檢驗測量，土壤樣品垂直分布檢驗測量，電線電阻絲電導(dǎo)率檢驗測 量，絕緣材料電導(dǎo)率檢驗測量，導(dǎo)電尼龍電導(dǎo)率檢驗測量等領(lǐng)域，但對導(dǎo)體電導(dǎo)率空間分布 的測量，目前還未見明確、成熟和具體的實現(xiàn)方法。
[0003] 中國專利申請201010188421. 3提出了"一種石墨電導(dǎo)率測量方法及測量裝置"， 雖然該方案具有操作簡單、成本較低和適用于各種各向異性材料電導(dǎo)率測量的優(yōu)點，但還 存在以下明顯不足：一是測量N個點的電導(dǎo)率必須進行N次測量，其測量次數(shù)多，帶來的系 統(tǒng)測量誤差大；二是每次測量均需移動微位移移動裝置，不僅浪費大量時間，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)，因測量時間長意及多次測量之間的環(huán)境因素干擾大， 將明顯增加單次測量誤差。
[0004] 中國專利申請201210305745. X提出了一種"三角波激勵并積分處理的溶液電導(dǎo) 率測量方法及關(guān)鍵電路"，雖然該方案具有消除電極分布電容的影響、消除隨機性干擾對測 量精度的影響提高測量穩(wěn)定度的優(yōu)點，但還存在以下明顯不足：一是僅能測量溶液整體的 電導(dǎo)率情況，不能具體測量溶液的電導(dǎo)率分布情況；二是無法測量溶液濃度的具體擴散情 況。
[0005] 公知的壓縮感知（compressed sensing,簡稱CS)理論使信號采集突破了奈奎斯 特采樣定理的限制，提出了只要信號是可壓縮的或在某個變換域是稀疏的，那么就可以用 一個與變換基不相關(guān)的觀測矩陣將變換所得高維信號投影到一個低維空間上，然后通過求 解一個優(yōu)化問題就可以從這些少量的投影中以高概率重構(gòu)出原信號的實現(xiàn)原理。如果利 用壓縮感知原理來進行導(dǎo)體電導(dǎo)率一維分布的測量，可以只通過一個電導(dǎo)率檢測電路，經(jīng) 過多次利用可編程開關(guān)組隨機組合對樣品進行采樣，再通過一定的算法恢復(fù)，快速獲得更 為準確的導(dǎo)體電導(dǎo)率分布結(jié)果。但目前還沒有見到利用壓縮感知原理來測量導(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)的不足已成為當今導(dǎo)體電導(dǎo)率測量【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)率一維分布的測量方法和裝置，本發(fā)明具有測量過程簡便、測量精度高和測量快速 等優(yōu)點，適用于對現(xiàn)有電導(dǎo)率測量裝置的升級改造。
[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)百個可編程開關(guān)電極的可編程開關(guān)電極帶與待測導(dǎo)體的 表面緊密貼合；通過計算機生成伯努力隨機采樣矩陣，從該矩陣中依次取出行向量，再由計 算機輸出行向量信號至可編程開關(guān)電極帶的控制端，控制數(shù)十至數(shù)百個可編程開關(guān)電極的 通斷狀態(tài)，0對應(yīng)開關(guān)閉合，1對應(yīng)開關(guān)斷開；
[0010] 步驟二，通過電阻抗測試儀的測量電極接入待測導(dǎo)體兩端，測得采樣矩陣中不同 行向量對應(yīng)的電阻值，得出電阻采樣向量；
[0011] 步驟三，根據(jù)不同檢測導(dǎo)體選擇對應(yīng)的稀疏變換，構(gòu)成超完備字典；
[0012] 步驟四，利用恢復(fù)算法對待測導(dǎo)體電阻一維分布進行重建，利用電阻率計算公式： P =RS/L，其中：P為電阻率、R為電阻值、L為待測導(dǎo)體的長度、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)明的測量方法進一步的優(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)百個可編程開關(guān)電極的可編程開關(guān)電極帶與 待測導(dǎo)體的表面緊密貼合，是指每個可編程開關(guān)電極在一維方向上相互串聯(lián)，并與待測導(dǎo) 體表面緊密貼合，形成可觀測掩模。
[0015] 本發(fā)明步驟一所述生成伯努力隨機采樣矩陣的構(gòu)造式為：矩陣φ e rmxn該矩陣 的每個元素獨立地服從對稱的伯努力分布，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)百個可編程開關(guān)電極的可編程開關(guān)電極帶與待測導(dǎo)體的表面 緊密貼合；通過計算機生成伯努力隨機采樣矩陣，從該矩陣中依次取出行向量，再由計算機 輸出行向量信號至可編程開關(guān)電極帶的控制端，控制數(shù)十至數(shù)百個可編程開關(guān)電極的通斷 狀態(tài)，0對應(yīng)開關(guān)閉合，1對應(yīng)開關(guān)斷開； 步驟二，通過電阻抗測試儀的測量電極接入待測導(dǎo)體兩端，測得采樣矩陣中不同行向 量對應(yīng)的電阻值，得出電阻采樣向量； 步驟三，根據(jù)不同檢測導(dǎo)體選擇對應(yīng)的稀疏變換，構(gòu)成超完備字典； 步驟四，利用恢復(fù)算法對待測導(dǎo)體電阻一維分布進行重建，利用電阻率計算公式：P = RS/L，其中：P為電阻率、R為電阻、L為待測導(dǎo)體的長度、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)率一維分布測量方法，其特征 在于步驟一所述將含有數(shù)十至數(shù)百個可編程開關(guān)電極的可編程開關(guān)電極帶與待測導(dǎo)體的 表面緊密貼合，是指每個可編程開關(guān)電極在一維方向上相互串聯(lián)，并與待測導(dǎo)體表面緊密 貼合，形成可觀測掩模。
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)率一維分布測量方法，其特征 在于步驟一所述生成伯努力隨機采樣矩陣的構(gòu)造式為：矩陣Φ e RMXN該矩陣的每個元素 獨立地服從對稱的伯努力分布，即：
由于在電路中只存在通斷兩種狀態(tài)，因此上式矩陣可簡化為：
上式Φ3中的每一行視為一組控制向量，計算機依次根據(jù)該矩陣的行向量輸出 高低電平控制開關(guān)，〇對應(yīng)開關(guān)閉合，即此開關(guān)對應(yīng)的部分被測導(dǎo)體被開關(guān)短路，該部分不 計入此時所得的電阻；1對應(yīng)開關(guān)斷開，即此部分計入此時所得的電阻。
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應(yīng)得到多個電阻采樣值 pc再將所有的乘以
< 進行歸一化，最終得到由Μ個線性投影觀測采樣值構(gòu)成 的電阻采樣向量Y=[yi，y2，…，yM]T e RM;其中：當導(dǎo)體的電阻分布為N維實信號X=[Xl，x2，… ，χΝ]τ e rn，則此時的電阻采樣向量γ為對信號X執(zhí)行一個壓縮觀測的結(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X，要求X為 稀疏向量或X在一個變換域中是稀疏的。
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X是一個求 解線性方程組，在導(dǎo)體電阻一維分布信號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)率一維分布測量方法的裝置， 它包括電阻抗測試儀，其特征在于還包括電阻抗測試儀與可編程開關(guān)電極帶和計算機依次 連接；其中：可編程開關(guān)電極帶包括數(shù)十至數(shù)百個可編程開關(guān)電極、含有單片機的控制單 元和通信接口，且可編程開關(guān)電極帶的每個可編程開關(guān)電極在一維方向上相互串聯(lián)并與待 測導(dǎo)體表面緊密貼合為可觀測掩模；可編程開關(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)率分布測量方法的裝置，其特 征在于計算機為含有matlab軟件、C++語言軟件或java軟件的計算機。
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)率分布測量方法的裝置， 其特征在于所述單片機為51單片機、msp430單片機或atmega單片機。
【文檔編號】G01R27/02GK104090164SQ201410164002
【公開日】2014年10月8日 申請日期: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 申請人:河海大學(xué)