1、電容層析成像技術(shù)是上世紀(jì)80年代末由英國曼徹斯特大學(xué)研究人員提出的一種新的計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，它是通過測量物體表面周圍電極之間的電容值來計(jì)算物體內(nèi)部介電常數(shù)的空間分布，主要用于工業(yè)管道內(nèi)的多相流檢測。這種技術(shù)可提供常規(guī)儀器無法探測的封閉管道及容器中多相介質(zhì)的濃度、分布、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等可視化信息。比之其它技術(shù)，電容層析成像技術(shù)具有適用范圍廣、非侵入式、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，各種工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的多相流均能應(yīng)用該技術(shù)，并且成本低廉，更適合我國的國

2、情。本文針對電容層析成像系統(tǒng)的場域分布模型、傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圖像重建算法、流型辨識及電容層析成像系統(tǒng)的分析和測量軟件等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了較全面深入的研究，主要完成了以下工作： 1．電容層析成像系統(tǒng)技術(shù)原理分析 從理論上分析了電容層析成像技術(shù)的工作原理，建立了電容敏感場的數(shù)學(xué)模型。對系統(tǒng)的其他研究工作均以此模型為理論基礎(chǔ)，從系統(tǒng)的流型識別和圖像重建的效果來看，此模型是可行的。 2．建立電容敏感場有限元模型，獲得電

3、容敏感場分布信息 通過對敏感特性的分析建立了等間距和不等間距剖分形式的有限元模型，完成場域自動(dòng)剖分，比較等間距和不等間距剖分的敏感差別，最后得到一種適合油水兩相流流型識別的有限元模型，滿足圖像重建對敏感場數(shù)據(jù)的精度要求。 3．電容傳感器的設(shè)計(jì)理論與實(shí)驗(yàn)研究 針對不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電容傳感器性能的影響，從電極數(shù)、電極長度、電極張角、管道壁厚度、介電常數(shù)、屏蔽罩與電極間絕緣層的厚度、徑向電極等方面進(jìn)行理論分析，完成了計(jì)

4、算機(jī)仿真分析和實(shí)驗(yàn)分析，并以此為基礎(chǔ)對傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高敏感場的靈敏度和均勻性，減輕測量電路的設(shè)計(jì)難度，完善了電容傳感器設(shè)計(jì)理論。 4．流型辨識、圖像重建算法研究 為了克服成像過程測量數(shù)據(jù)有限、信噪比低及敏感矩陣條件數(shù)偏大對實(shí)時(shí)成像造成的影響，結(jié)合成像系統(tǒng)噪聲水平和敏感矩陣特性，建立了一種基于矩陣運(yùn)算的廣義逆敏感矩陣求解方法。該方法將測量數(shù)據(jù)與構(gòu)建的廣義逆敏感矩陣進(jìn)行運(yùn)算，從而得到截面圖像，解決電容成像不穩(wěn)

5、定性及半收斂性問題，為電容層析成像系統(tǒng)的研究提供新的理論和方法。 5．電容層析成像測量系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及開發(fā) 根據(jù)敏感特性和本文提出的傳感器場域剖分原則，采用MATLAB和C語言開發(fā)出了電容層析成像系統(tǒng)的分析和測量軟件，軟件能夠完成敏感場場域自動(dòng)剖分、計(jì)算及電場特性分析；對本文建立的離散相分布圖像重建數(shù)學(xué)模型和油水含率計(jì)算的數(shù)學(xué)模型及提出的具有一定自適應(yīng)閾值的圖像重建和油水含率計(jì)算算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，采用遺傳算法對其進(jìn)行編