声电双模态层析成像传感器优化配置

摘要

电阻层析成像技术（Electrical Resistance Tomography，简称ERT）是一种基于电学敏感原理的过程参数检测技术，具有工作原理和结构简单、响应速度快、可视化检测的特点。超声透射层析成像（Ultrasound Transmission Tomography，简称UTT）是一种基于超声敏感原理的过程参数检测技术。单模态层析成像技术目前存在测量范围受限与重建图像的分辨率和准确性受限的问题。利用不同原理的多种传感器进行测量，可获得更多、更准确信息，进而实现比单一模态测量范围更广、精度更高的测量。电学/超声双模态传感器可利用电学层析成像对于管道内介质重建电抗特性，以及超声层析成像对气液界面敏感的特性，分别获得描述场域内介质分布的电阻抗与声阻抗信息。超声场与电场之间无耦合关系，场互相无影响。但由于电极和超声探头安装在管道的同一截面上，电极对超声波的发射有影响。针对该问题，本文利用电学、超声敏感场的仿真研究，优化电极与超声探头尺寸，实现声电双模态层析成像传感器的优化。
　　本研究主要内容包括：⑴利用数值仿真方法，研究ERT系统中不同激励模式下的电场分布，以及超声探头直径对声场分布的影响，研究不同电极数目与电极位置对超声传播的影响，并得到电极与超声探头间隔放置的最优结构。⑵针对提出的最优传感器安装结构，基于ERT系统相邻激励和UTT系统一发三收的工作模式，研究电学敏感场与超声敏感场的分布，分析双模态敏感场的分布互补特性。⑶分析超声敏感场与电学敏感场的优化目标，在16电极/16探头间隔分布结构和8电极/8探头间隔分布结构中，优化电极宽度、长度、超声探头直径与超声探头安装深度等结构参数。⑷为综合考察电极宽度对超声敏感场与电学敏感场影响，将两种优化目标参数进行归一化，基于超声敏感场与电学敏感场的两种优化目标对电极宽度进行分析，获得双模态传感阵列的优化尺寸。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 过程层析成像技术

1.3 课题研究内容

1.4 本论文的组织

第2章 电学/超声双模态敏感场分布特性

2.1 ERT电学敏感场

2.2 UTT超声敏感场分布

2.3 双模态敏感场MATLAB与COMSOL联合仿真

第3章 电学敏感场优化

3.1 电学敏感场优化目标

3.2 电极宽度对电学敏感场的影响

3.3 电极高度对电学敏感场的影响

第4章 超声敏感场优化

4.1 超声与电极安装结构

4.2 电极数量对超声声场的影响

4.3 超声敏感场优化目标

4.4 超声敏感场优化

4.5 电极占空比、超声探头直径与安装深度对超声场分辨率的影响

4.6 电极占空比、超声探头直径对超声系统信噪比的影响

第5章 基于双模态敏感场的传感器优化

5.1 电极宽度优化

5.2 超声探头直径优化

5.3 基于双模态敏感场灵敏度对电极宽度与探头直径的优化

5.4 ERT/UTT传感器优化实验验证

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢