基于C4D原理的ECT-ERT雙模態(tài)成像技術研究.pdf

1、兩相流廣泛分布于自然界和工業(yè)生產(chǎn)中，其特征參數(shù)的檢測具有重要的意義。作為兩相流參數(shù)檢測技術中兩種重要的電學成像技術，電容層析成像（ElectricalCapacitanceTomography，簡稱ECT）和電阻層析成像（ElectricalResistanceTomography，簡稱ERT）有著不同的適用范圍。ECT適用于兩相流的連續(xù)相為非導電介質(zhì)情況下的測量，而ERT適用于連續(xù)相為導電介質(zhì)情況下的測量。由于兩相流復雜多變，當ECT

2、和ERT融合成ECT/ERT雙模態(tài)成像系統(tǒng)時，其應用范圍將被大幅拓展。然而目前的ECT/ERT雙模態(tài)系統(tǒng)往往是兩種單一模態(tài)成像裝置的簡單組合，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復雜，測量的時空一致性難以得到保證，而且其ERT部分的電極需要與被測流體直接接觸，容易產(chǎn)生電極極化效應、電化學腐蝕等問題，限制了雙模態(tài)系統(tǒng)的應用范圍。
　　針對現(xiàn)有ECT/ERT雙模態(tài)系統(tǒng)存在的問題，本文將分析化學領域的電容耦合非接觸電導檢測（CapacitivelyCoupl

3、edContactlessConductivityDetection，簡稱C4D）技術引入到ECT/ERT雙模態(tài)成像領域，并結(jié)合相敏解調(diào)技術，提出了一種基于C4D的新型ECT/ERT雙模態(tài)成像技術。本文的主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　(1)基于C4D原理，提出了一種新型的非接觸式ECT/ERT雙模態(tài)成像技術。在該技術中，僅利用一套電極陣列和一個數(shù)據(jù)采集單元就能夠?qū)崿F(xiàn)ECT、ERT兩種模態(tài)信息的同時測量，確保了雙模態(tài)系統(tǒng)測量的時空一致

4、性，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且新型雙模態(tài)系統(tǒng)的電極不與被測流體直接接觸，有效克服了傳統(tǒng)的接觸式雙模態(tài)系統(tǒng)帶來的電極極化、電化學腐蝕等問題，拓展了雙模態(tài)系統(tǒng)的應用范圍。本文同時分析了新型雙模態(tài)傳感器的結(jié)構(gòu)和不同模態(tài)下的等效電路，然后基于有限元方法對傳感器進行仿真和建模，優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以提高其靈敏度，并獲取了優(yōu)化后傳感器的靈敏場分布情況。
　　(2)結(jié)合模擬相敏解調(diào)（AnalogPhaseSensitiveDemodulation，簡

5、稱APSD）技術，研制了基于C4D的雙模態(tài)系統(tǒng)樣機，并進行一系列的驗證實驗。實驗結(jié)果證明本文提出的新型雙模態(tài)系統(tǒng)是可行的，該系統(tǒng)成功實現(xiàn)了ECT、ERT兩種模態(tài)下的層析成像，并且圖像重建質(zhì)量良好，圖像重建結(jié)果與模擬的流體分布情況一致，數(shù)據(jù)采集速度超過40幀/s。
　　(3)將數(shù)字相敏解調(diào)（DigitalPhaseSensitiveDemodulation，簡稱DPSD）技術引入到新型雙模態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元的設計中，對其關鍵技術進行