電容耦合電阻層析成像系統(tǒng)建模及優(yōu)化研究.pdf

1、電阻層析成像(ERT)技術(shù)作為過程層析成像技術(shù)中的研究熱點(diǎn)之一，與其它層析成像技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的兩相流參數(shù)測(cè)量技術(shù)。
　　 但是，傳統(tǒng)的ERT傳感器檢測(cè)電極與被測(cè)導(dǎo)電液體直接接觸，易導(dǎo)致電極極化和電化學(xué)反應(yīng)等問題，從而影響ERT在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用。針對(duì)該問題，本課題組基于電容耦合式非接觸電導(dǎo)測(cè)量方法(Capacitively Coupled ContactlessCond

2、uctivity Detection，C4D)提出一種新的ERT技術(shù)，電容耦合ERT(CapacitivelyCoupled Electrical Resistance Tomography，CCERT)。該CCERT系統(tǒng)傳感器電極直接安裝在被測(cè)絕緣管道外部，從而有效避免了傳統(tǒng)ERT中由于接觸測(cè)量引起的各種問題，是一種具有極大應(yīng)用潛力的成像技術(shù)。雖然目前已經(jīng)初步驗(yàn)證了該技術(shù)在層析成像領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，但由于該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的ERT系統(tǒng)有很大

3、不同，無法直接借鑒ERT的現(xiàn)有研究成果。因此需要從基礎(chǔ)性研究出發(fā)，對(duì)CCERT系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和建模，并提出傳感器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)而才能實(shí)現(xiàn)有效的圖像重建。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本論文主要從基礎(chǔ)性研究出發(fā)，對(duì)傳感器的建模和優(yōu)化問題進(jìn)行了較深入研究，同時(shí)對(duì)圖像重建也進(jìn)行了初步研究，同時(shí)根據(jù)研究獲得的傳感器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了CCERT樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)時(shí)的圖像重建驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 (1)建立CCERT傳感器的數(shù)學(xué)模型，并

4、利用二維及三維有限元仿真驗(yàn)證了電極問RC串聯(lián)等效電路模型的有效性。
　　 (2)針對(duì)CCERT傳感器結(jié)構(gòu)的特性，為了降低外部寄生電容影響，借鑒電容層析成像系統(tǒng)中通過增加徑向電極的方法，對(duì)該種結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行研究。結(jié)果表明，針對(duì)所采用的數(shù)據(jù)采集模式，徑向電極對(duì)測(cè)量值影響較大，對(duì)測(cè)量不利，不建議采用徑向電極。
　　 (3)以降低數(shù)據(jù)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)難度為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)兼顧系統(tǒng)測(cè)量靈敏度，對(duì)CCERT系統(tǒng)的傳感器幾何及物理參數(shù)進(jìn)

5、行了優(yōu)化研究。通過研究獲得如下傳感器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：較薄的管壁、較大的管壁相對(duì)介電常數(shù)以及較大的電極張角對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是有利的。
　　 (4)基于獲得的傳感器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了CCERT傳感器樣機(jī)。對(duì)圖像重建所需的靈敏場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，獲得了所設(shè)計(jì)CCERT傳感器的靈敏場(chǎng)，同時(shí)將LBP成像算法應(yīng)用到本系統(tǒng)。利用該樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的圖像重建驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該CCERT系統(tǒng)樣機(jī)對(duì)目標(biāo)成像效果良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了傳感器模型的正確性，傳感器設(shè)計(jì)準(zhǔn)