电磁层析成像敏感场与传感器的仿真

摘要

电磁层析成像(Electromagnetic Tomography,EMT)是近年来发展起来的一种电学层析成像(Electrical Tomography，ET)技术，它具有非侵入，非接触，无危害的优点，对导电和导磁物质均有敏感性，因此在工业过程多相流检测，化工过程，地质勘探和生物医学成像领域，都有很大的应用前景。
　　 EMT是基于电磁感应原理，在外加交变电流引起的激励主磁场的作用下，被测的导电导磁物体产生感应涡流，从而产生新的次级感应磁场，通过检测被测空间边界信号可以得到物场电导率和磁导率信息，从而能够重建被测物质的空间分布图像。EMT存在的一个难点是反映物场信息的次级感应磁场信号通常远小于激励主磁场信号，使得感应磁场信号经常会淹没在激励主磁场的信号和噪声中。围绕这一难题，本论文从EMT的基本理论出发，对EMT电磁敏感场和传感器进行了仿真研究。本文的主要工作体现在以下四个方面：
　　 1.根据EMT的基本原理，分别从物理和数学角度阐述了EMT的正问题和逆问题。
　　 2.在有限元仿真软件COMSOL环境下建立了EMT的基本模型，研究了EMT敏感场的频率响应，双模式成像可行性，单个物体位置信息的检测和EMT对弱导电层的穿透效应。仿真结果为进一步传感器优化奠定了基础。
　　 3.在敏感场仿真结果基础上，提出数值计算式灵敏度和EMT下信载比的概念，并利用这两个指标对EMT传感器系统做了优化，利用仿真结果得到了封闭式截面检测传感器模型下的最优值。
　　 4.针对截面测量，提出了新型的传感器结构，仿真结果证明了该结构能够消去主磁场的影响，提高检测信号的有效性，是解决EMT存在难题的一种行之有效的方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1电学层析成像技术

1.2电磁层析成像技术的发展与现状

1.2.1电磁层析成像技术的基本原理

1.2.2 EMT在工业过程中的发展

1.2.3 EMT在医学成像中的发展

1.3 EMT的研究难点和本课题的研究内容

1.4本论文的组织结构

第二章电磁层析成像的数学物理描述

2.1 EMT系统的构成与工作原理

2.2 EMT的正问题与逆问题

2.3 EMT的物理描述

2.3.1直接感性耦合

2.3.2直接容性耦合

2.3.3线圈与被测物场的互感

2.3.4其他耦合

2.4 EMT正问题的数学表达

2.5 EMT逆问题的数学描述

第三章电磁层析成像敏感场分析

3.1 EMT电磁敏感场仿真模型

3.1.1电磁敏感场仿真的中间参量

3.1.2敏感场仿真的基本2-D模型

3.2激励模式和激励频率

3.2.1单一频率激励敏感场仿真分析

3.2.2多频激励仿真研究

3.3 EMT电导率敏感性测量仿真

3.4 EMT磁导率敏感性测量仿真

3.5 EMT位置信息的仿真实验分析

3.6 EMT屏蔽场的仿真实验分析

3.7 EMT的穿透效应仿真分析

3.8本章小节

第四章电磁层析成像传感器结构优化

4.1 EMT传感器优化模型与优化目标

4.2 EMT传感器电磁屏蔽层的优化设计

4.3 EMT传感器优化指标

4.3.1“数值计算式”灵敏度

4.3.2信载比

4.3.3分辨率

4.4 EMT传感器系统优化

4.4.1 EMT传感器位置优化

4.4.2 EMT传感器尺寸优化

4.5本章小节

第五章基于对称消去原理的新型传感器系统设计

5.1非截面测量的EMT传感器设计

5.2对称消去原理用于截面测量

5.2.1基于对称消去原理的对比实验

5.2.2基于灵敏度指标的对比实验结果评价

5.2.3基于信载比指标的对比实验结果评价

5.2.4对称消去模式下的独立测量量

5.3本章小结

第六章工作总结与展望

6.1工作总结

6.2未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢