基于C4D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。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 两相流概述

1．2 过程层析成像技术与ECT／ERT双模态成像技术

1．3 电容耦合非接触电导检测技术简介

1．4 本文的主要研究工作

1．5 本章小结

第二章 文献综述

2．1 ECT／ERT双模态成像技术

2．1．1 ECT／ERT技术的发展历程与研究现状

2．1．2 ECT／ERT双模态技术的发展历程与研究现状

2．1．3 ECT／ERT双模态成像技术的分类

2．2 C4D的测量原理及应用

2．2．1 C4D测量原理

2．2．2 C4D系统构成

2．2．3 C4D技术的研究现状

2．3 相敏解调技术

2．3．1 模拟相敏解调技术

2．3．2 数字相敏解调技术

2．4 本章小结

第三章 ECT／ERT双模态系统传感器结构及其优化设计

3．1 现有ECT／ERT双模态系统存在的问题

3．2 新型双模态传感器结构及其等效电路

3．3 双模态传感器的场域模型

3．4 双模态传感器结构参数的仿真优化

3．4．1 传感器优化指标

3．4．2 传感器优化结果

3．5 优化后传感器的敏感场分布

3．6 本章小结

第四章 基于C4D的ECT／ERT双模态系统设计

4．1 基于C4D的ECT／ERT双模态系统总体结构

4．2 双模态系统硬件设计

4．2．1 DDS模块设计

4．2．2 APSD模块设计

4．2．3 CAC模块

4．3 双模态系统软件设计

4．3．1 主程序设计

4．3．2 数据采集和处理程序

4．4 基于C4D的ECT／ERT双模态系统性能测试

4．4．1 基于C4D的ECT／ERT双模态系统样机

4．4．2 数据采集速度

4．4．3 在线成像效果

4．5 本章小结

第五章 基于DPSD的新型双模态系统关键技术研究

5．1 概述

5．2 基于DPSD的新型双模态系统的总体结构与测量原理

5．2．1 基于DPSD的新型双模态系统的总体结构

5．2．2 DPSD的测量原理

5．3 DPSD技术中关键参数的仿真优化

5．3．1 正弦激励信号的频率

5．3．2 AD位数和每周期采样点数

5．3．3 AD采样周期数

5．3．4 参考信号位数

5．4 基于DPSD的新型双模态系统数据采集单元的设计

5．4．1 I／V转换模块

5．4．2 数字解调与通讯模块

5．5 基于DPSD的新型双模态系统初步实验结果

5．5．1 数据采集速度

5．5．2 测量精度

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

作者简介