基于C~4D原理的ECT/ERT双模态成像技术研究

【摘要】两相流广泛分布于自然界和工业生产中,其特征参数的检测具有重要的意义。作为两相流参数检测技术中两种重要的电学成像技术,电容层析成像(ElectricalCapacitanceTomography,简称ECT)和电阻层析成像(ElectricalResistanceTomography,简称ERT)有着不同的适用范围。ECT适用于两相流的连续相为非导电介质情况下的测量,而ERT适用于连续相为导电介质情况下的测量。由于两相流复杂多变,当ECT和ERT融合成ECT/ERT双模态成像系统时,其应用范围将被大幅拓展。然而目前的ECT/ERT双模态系统往往是两种单一模态成像装置的简单组合,其系统结构较为复杂,测量的时空一致性难以得到保证,而且其ERT部分的电极需要与被测流体直接接触,容易产生电极极化效应、电化学腐蚀等问题,限制了双模态系统的应用范围。针对现有ECT/ERT双模态系统存在的问题,本文将分析化学领域的电容耦合非接触电导检测(CapacitivelyCoupledContactlessConductivityDetection,简称C4D)技术引入到ECT/ERT双模态成像领域,并结合相敏解调技术,提出了一种基于C4D的新型ECT/ERT双模态成像技术。本文的主要工作和创新点如下：(1)基于C4D原理,提出了一种新型的非接触式ECT/ERT双模态成像技术。在该技术中,仅利用一套电极阵列和一个数据采集单元就能够实现ECT、ERT两种模态信息的同时测量,确保了双模态系统测量的时空一致性,简化了系统结构,而且新型双模态系统的电极不与被测流体直接接触,有效克服了传统的接触式双模态系统带来的电极极化、电化学腐蚀等问题,拓展了双模态系统的应用范围。本文同时分析了新型双模态传感器的结构和不同模态下的等效电路,然后基于有限元方法对传感器进行仿真和建模,优化传感器的结构参数以提高其灵敏度,并获取了优化后传感器的灵敏场分布情况。(2)结合模拟相敏解调(AnalogPhaseSensitiveDemodulation,简称APSD)技术,研制了基于C4D的双模态系统样机,并进行一系列的验证实验。实验结果证明本文提出的新型双模态系统是可行的,该系统成功实现了ECT.ERT两种模态下的层析成像,并且图像重建质量良好,图像重建结果与模拟的流体分布情况一致,数据采集速度超过40帧/s。(3)将数字相敏解调(DigitalPhaseSensitiveDemodulation,简称DPSD)技术引入到新型双模态系统数据采集单元的设计中,对其关键技术进行了研究,从而大幅提高双模态系统的测量性能。首先介绍了基于DPSD的新型双模态系统的总体结构和测量原理,然后对DPSD技术中的关键参数进行仿真优化以提高其测量精度,最后研制了基于DPSD技术的数据采集单元,并进行一系列测试.实验结果表明基于DPSD的数据采集单元具有较高的数据采集速度和较高的测量精度,为实现基于DPSD的新型双模态系统成像奠定了良好的基础。
【作者】龚和；
【导师】王保良；
【作者基本信息】浙江大学，控制科学与工程，2014，硕士
【关键词】两相流；ECT/ERT双模态系统；电容耦合非接触电导检测；相敏解调；

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