静电场有限元分析软件的编制及电容层析成像技术在粮食水分分布监测中的仿真研究

摘要

电容层析成像(ECT)技术是八十年代中后期形成和发展起来的一种基于电容传感机理的过程层析成像(PT)技术，具有非侵入、响应速度快、结构简单成本低、安全性能好、适用范围广等优点，是目前PT技术研究的一个热点。近年来ECT技术得到较大的发展，并正在走向工业应用。本文主要以ECT技术在粮食水分分布的可视化监测中的应用为研究背景，进行水分分布的仿真研究和成像算法的修正，完成了有限元分析软件的升级和改进。与此同时，以冷冻干燥食品、木材、墙体等的含水量的检测为研究背景，完成了平行极板有限元分析软件的研制与开发，并进行了初步的优化设计。本文主要完成了以下工作： (1)ECT系统的基本原理、系统构成、基本特点和应用范围进行了较为详尽的分析，阐述了ECT技术独特的优点同时也分析了它的不足，并对它的应用现状和发展前景做了较为全面的总结。 (2)静电场有限元分析软件是电容层析成像仿真研究中必不可少的工具软件，本文对原有的有限元分析软件进行升级处理，改进了该软件的不足，并且编写了良好的用户界面，使参数设置更加灵活，运行时间缩短了37.75％，方便了研究者的使用。 (3)利用升级后的有限元分析软件对粮仓粮食异常含水量进行仿真研究。对国内外的多种成像算法进行了分析比较，给出了各种成像算法的优缺点，并着重研究了LBP法和迭代法，通过仿真研究，对两种成像算法的成像质量进行评价，并提出了改进方法，使成像质量得到了较大的提高：迭代法：占空比由0.0275修正到0.0088，面积相对误差由57.0894修正到4.4944，空间图像误差由52修正到4；LBP法：占空比由0.2392修正到0.0199，面积相对误差由186.0698修正到14.5687，空间图像误差由191修正到15。同时，对粮仓粮食异常含水量的预报和定位进行了研究。 (4)利用MATLAB开发了平行极板有限元分析软件，可以应用到冻干食品、木材、墙体等的水分测量，该软件具有较为灵活的参数设置功能，为今后的优化设计奠定了基础。 (5)利用平行极板有限元分析软件进行初步地优化设计，并由此给出传感器优化设计方案。为其应用于工业现场，打下了一定的基础。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1过程层析成像技术

1.1.1电容层析成像技术原理及系统构成

1.1.2电容层析成像技术的应用与前景

1.2过程层析成像技术在粮食水分分布监测中的意义

1.3电容传感器在含水量分层检测中的意义

1.4本文的工作及意义

第二章静电场有限元分析

2.1 ECT系统模型

2.2静电场有限元分析法

2.2.1 ECT传感器对应的边值问题及等价变分问题

2.2.2有限元法基本原理与编程实现

2.3.维/三维静电场有限元分析软件升级和改进

2.3.1有限元分析软件升级的意义

2.3.2前处理

2.3.3有限元分析

2.3.4后处理

2.3.5升级改进后的软件性能测试

第三章ECT系统图像重建算法及其应用于粮食水分监测中的仿真研究

3.1 ECT图像重建算法分析

3.1.1线性反投影法LBP

3.1.2迭代算法

3.1.3人工神经元网络法

3.1.4多元线性回归建模的正则化图像重建(MLRR)

3.2图像重建算法成像质量评价参数

3.3粮仓粮食水分分布仿真的结果与分析

3.3.1 ECT系统仿真

3.3.2介电常数与粮食含水量的关系

3.3.3异常含水区的监测和重建图像算法修正

3.3.4重建图像的定位处理及空间位置误差

3.3.5粮仓中含水量的预报

第四章平行极板有限元分析软件的开发及电容传感器的优化试验

4.1平行极板传感器结构与激励方式

4.1.1传感器结构

4.1.2传感器的激励方式

4.2平行极板有限元分析软件的设计思想

4.3平行极板有限元分析软件的编程实现

4.3.1前处理

4.3.2有限元分析

4.3.3后处理

4.3.4平行极板有限元分析软件性能测试

4.4平行极板电容传感器的优化设计

4.4.1优化问题的探讨

4.4.2优化示例

第五章结论

参考文献

致谢