用于多相流检测的电容层析传感器的新结构研究

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1、用于多相流检测的电容层析传感器的新结构研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：环境学院学科：环境科学与工程研究生：黄永亮指导教师：陈道毅教授二○一七年六月NewStructureStudyofElectricalCapacitanceTomographicSensorsUsedforMultiphaseFlowMeasurementThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinEnvironmentalSciencean

2、dEngineeringbyHuangYongliangThesisSupervisor:ProfessorChenDaoyiJune,2017摘要摘要电容层析成像技术可以简单的称为ECT技术，它是一种通常用于多相流检测的成像技术。因为具有非接触式实时成像的优点导致它发展得非常的迅速。因为是新兴技术的原因也导致了ECT技术面临着不少的技术方面的问题，这些问题中最主要的两点就是成像质量的问题和ECT传感器的抗噪声性能的问题。为解决这两个问题，主要的思路有两个方向，一个改进或者提出新的图像重建的算法，另一个是优化或者设计新的传感器的结构。本文的主要工作就是围绕ECT技术的问题和解决方法

3、展开。本文详细的介绍了ECT技术的背景、ECT技术的原理和ECT系统，并且通过方程来重点的介绍了几种相对经典的ECT图像重建算法。文中通过改变传感器结构和采用不同算法对二维传感器进行了仿真。通过仿真得到了二维传感器的极板间距越短，成像质量越差，传感器极板的数目增多，成像质量提高，但极板间距的影响比极板数目更明显；LBP算法重建速度快，对简单流场成像质量好，对复杂流场不能成像，ART算法整体成像质量不好，Tikhonov算法优势是对细节分辨能力好，Landweber算法整体成像质量最好但速度较慢。通过对二维ECT传感器的仿真验证了ECT传感器的结构和算法对图像重建的影响。在验证了二维

4、ECT传感器的基础上，重点选取了传感器的结构这一切入点，设计了一种回字形结构的新型ECT传感器，并设计了多个传感器作为对照组进行了仿真，得到了这种传感器具有对各种流场的成像质量都很稳定的特点，采用方差分析法和图像评估法相结合的方法，证明了这种传感器具有优秀的抗噪声性能。其中回字形结构和评价该结构所用的方差分析法是文章的创新点。对于传感器的结构，除了传感器的形状，文中还对金属屏蔽层对成像质量的影响进行了研究。通过仿真得到加上金属屏蔽层后，重建图像在靠近电极位置处有规则的畸变点，其中矩形电极加口字型金属屏蔽层后，管道中心处的重建图像更加稳定，即金属屏蔽层牺牲了靠近电极处的部分信息，实现

5、了对管道中心成像质量的提高。在仿真的基础上，设计了实验，通过实验证明了在加金属屏蔽层后成像质量有显著提高，也验证了对电极附近的规则畸变的存在。结合实验和仿真，可以证明金属屏蔽层在ECT传感器的实际应用中对提高成像质量有显著效果。关键词：ECT传感器；回字形；抗噪性；成像质量；金属屏蔽层IAbstractAbstractElectricalcapacitancetomographictechnology,simplycalledECTtechnology,isakindofimagingtechnologywhichisusuallyusedinmultiphaseflowmeasu

6、rement.Becauseoftheadvantageofcontactlessreal-timeimaging,itdevelopsrapidly.Asanewtechnology,ECTtechnologyisfacedwithalotofproblems.Twomainproblemsofthemareimagingequalityandnoiseimmunity.Therearetwomethodtosolvetheproblems.Oneistoimprovetheexistingalgorithmsoutputforwardnewalgorithms,theother

7、istooptimizetheconstructionofECTsensorsordesignsensorswithnewconstruction.ThemainworkofthisarticleisabouthowtosolvethemainproblemsofECTtechnology.ThebackgroundandtheoryofECTtechnologyandECTsystemaredetailedintroducedinthisarticle.Severa