电导法原油含水率测量传感器的模型优化与仿真

电导法原油含水率测量是基于阵列电极传感器的一种测量方法,电极系的结构与参数对传感器性能有着重要影响.拟研究电极系传感器结构的优化设计方法,在建立传感器电场分布理论模型的基础上,利用ANSYS有限元软件仿真电极系传感器不同参数下的电场分布,分析电极环宽度、激励电极对间距、测量电极间距等参数对传感器性能的影响.依据仿真结果,确定传感器的优化参数,并对传感器进行了灵敏度的模拟测试,测试结果显示:传感器灵敏度仿真结果与实际测试结果一致性较好;在高含水(大于85%)的油水两相流含水率测试精度可达3%.测试结果验证了传感器理论和仿真分析方法的有效性,为优化设计传感器提供一种有效的方法.     

井间ERT监测数据远程传输与数据处理平台设计与开发

针对CO2地质封存过程中井间ERT监测数据处理的需求设计并开发了监测数据综合处理平台。采用4G网络实现了监测数据从现场到监控中心的远程传输，利用MySQL开发了存储监测数据信息和用户信息的数据库，基于有限元法和线性反投影法实现了井间ERT图像重建算法，基于B/S架构和MVC设计模式开发了Web软件。该平台具有监测数据远程传输模块、数据存储模块、基于井间ERT的CO2饱和度成像模块、账户管理模块和CO2封存状态显示模块，可实现监测数据自动远程传输、存储、处理、展示等功能，远程用户登录该平台可对地质封存过程中CO2运移状态进行动态实时监测和历史状态查询。实验室内模拟测试结果表明了各功能模块均可正常运行，从而验证了所开发数据处理平台的可用性。     

平面电容传感器参数优化设计及实验

平面电容传感器的性能指标由结构参数决定,如何优化结构参数使传感器达到良好的性能是传感器设计的关键.基于三维有限元仿真模型,研究了感应面积一定的条件下,电极对数、电极宽度与间距比对传感器信号强度、灵敏度及穿透深度的影响.采用神经网络方法优化结构参数,在保证穿透深度的条件下,获得较好的信号强度.研制了不同结构参数的PCB型平面电容传感器,并将其用于介电材料检测,实验结果证明了传感器参数优化测量的有效性.     

基于ANSYS的ECT阵列电极三维优化设计

本文通过电磁场有限元软件ANSYS 分析,构建电容层析成像(ECT)系统敏感阵列电极三维模型.基于敏感场分布的均匀性、敏感阵列电极的灵敏度及被测电容变化范围等优化指标,进行空间敏感场阵列电极设计.实验表明,优化设计的敏感阵列电极可获得比较均匀的敏感场分布及检测灵敏度.     

基于电-声复合传感器测量含水合物液膜厚度仿真研究

针对天然气输送管道内含水合物液膜的厚度测量问题,基于电-声联合探测方法原理设计了集成同轴圆盘-双环电极和超声晶片的内嵌凹面式电-声复合传感器,建立了数值仿真模型对传感器的结构和工作参数进行了优化,并分别对含有离散分布水合物颗粒和水合物沉积层液膜的厚度进行了仿真测量,讨论了电阻法和超声渡越时间法的适用性;研究结果表明:同轴圆盘-双环电极中的圆盘电极的半径、圆盘电极/内环电极的间距是影响电学测试空间灵敏度的主要结构参数,超声波频率对声学测试空间灵敏度产生显著影响,因此需要对凹面式电-声复合传感器的参数进行优化设计;电阻法和超声渡越时间法分别适用于测量水合物以离散颗粒形态分布和以沉积层形态分布的液膜,两类方法优势互补显著,拓宽了电-声复合传感器的适用范围。     

基于柔性电极的便携式心电监测系统研究

针对普通干电极和医用湿电极应用于心电监测系统时存在的问题,制备了 一种聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)基底上阵列金字塔结构的柔性电极.该电极通过阵列金字塔结构加大电极表面积,减小电极阻抗,并对心电信号处理电路、基于安卓端的APP等部分进行了设计,制作了便携式心电监测系统.实验结果表明...     

基于柔性印刷工艺的表面肌电电极阵列装置的设计

设计了一种基于柔性印刷工艺的表面肌电电极阵列装置。该电极阵列由12个直径1.2mm的镀金圆电极分成两列组成,内部电极间距为3mm。电极载体材料(聚酰亚胺,厚50μm)具有较高的机械柔性,表面镀金(厚度2μm)的电极具有较低的阻抗,特制的聚酯双面胶带用于可重复使用的电极阵列装置的固定。在单指力量输出任务时记录指浅屈肌的多通道表面肌电(surface Electromyogram,sEMG)信号的实验中得到了稳定的基线和较好的sEMG信号。初步的实验结果表明,设计的这种低成本、体积小的高密度电极阵列装置能用于表面肌肉空间sEMG信号的检测。     

基于内部阵列电极的电容层析成像系统

为了研究电容层析成像系统在测量高介电常数流体中的应用,设计了一套具有内部阵列电极的电容层析成像传感器,改善了传统传感器的灵敏度和非线性特性,拓宽了系统的测量范围。用蒸馏水作为连续相介质进行了数据采集和图像重建,并进一步研究了介质电导率对系统成像的影响。实验表明,该系统可以实现高介电常数介质的测量,并且可用来测量具有微弱导电能力的物体。     

机敏混凝土ERT实验系统设计

机敏混凝土电阻率层析成像(ERT,electrical resistance tomography)是新近发展起来的一种可视性无损检测技术.为了对其深入研究,设计并实现了一个机敏混凝土ERT实验系统.系统的各功能模块都采用参数化设计技术,能够进行不同试件、不同电极数下ERT成像研究.实现了多种ERT成像算法,各算法参数和成像显示参数也可直接修改.介绍了该系统的主要功能及其实现方法,给出了部分ERT实验图.     

内置式电容层析成像系统传感器优化设计

电容层析成像系统重建图像的质量主要依赖于系统的观测矩阵,即灵敏度矩阵,灵敏度矩阵的特性又由传感器的结构参数所决定的。本文提出了采用反映灵敏度矩阵特性的条件数作为主要的电容传感器优化设计指标,结合表示传感器电极总体灵敏程度的电容变化量指标,兼顾最大、最小电容测量值满足测量范围的要求,进行综合优化设计。通过有限元方法,分析了内置式传感器电极结构参数对电容测量值和灵敏度矩阵的影响,并利用综合指标进行了优化,获得了一组内置式传感器的优化结构参数。     

电容耦合电阻层析成像并行电阻测量原理研究

传统的电阻层析成像(ERT)系统的电极与被测介质直接接触,容易产生电极极化、电化学腐蚀等问题,近年来出现的电容耦合非接触电导测量技术与ERT技术相结合的电容耦合电阻层析成像系统提出了一种新的非接触测量方法来解决此问题。但是目前该系统的电阻测量原理决定了其测量模式是串行的,成为限制系统数据采集速度的一个重要因素。针对该问题,本文引入了新的测量模型,提出了并行电阻测量原理,实现了数据采集系统,大大提高了系统速度。本文主要研究内容包括:分析了新型传感器的测量模型,提出了新的电阻求解方法;利用有限元法获得了新测量模型下管道内灵敏场分布;研制了相应的12电极样机系统。初步实验测试结果表明,该系统在具有较好测量精度的同时,其数据采集速度可达120帧/s,有效提高了电容耦合电阻层析成像系统的实时性。     

面向电阻抗成像检测的多电极阵列微流控芯片设计

设计了一种用于微尺度流动状态下电阻抗成像检测的多电极阵列微流控芯片,包括微流控芯片的结构设计、材料选择和加工工艺。设计的微流控芯片包含3个圆形电极横截面,每个横截面包含一组电极阵列。该阵列有3种数目的电极,分别为8电极,12电极和16电极。之后通过数值仿真方法实现了三种电极数目（8,12和16）微流控芯片的电阻抗成像,并与之前研究出来的菱形横截面8电极微流控芯片进行了对比,发现设计出来的16电极圆形微流控芯片具有较高的成像质量,验证了微流控芯片用于细胞电阻抗成像检测的可行性。     

Contactless sensing of the conductivity of aqueous droplets in segmented flow

We present an electrode arrangement for the inline measurement of the conductivity of droplets in segmented flow by impedance spectroscopy. We use a thin-walled glass capillary with electrodes contacting the outer surface, so that the contactless measurement of conductivity of the liquid within the capillary is possible. The surface of the glass capillary is silanized resulting in a single hydrophobic surface across which droplets can freely move. We model the impedance of such insulated electrodes and use the model to optimize the electrode system. Measurement of solutions with various salt concentrations allows the performance of the electrode structure to be characterized. Subsequently, the measurement of the impedance response of the aqueous segments in two-phase flow was demonstrated. Measurements were firstly performed with an impedance analyzer and subsequently with a multi-sine measurement setup that is better suited to high-speed measurement of droplets. Previous electrical measurements of segmented flow sensed the difference in dielectric constant between the aqueous phase and the carrier fluid through measurement of capacitance. This work describes an electrical measurement of the conductivity of droplets in segmented flow, that is, the sensor senses a variable property of the droplet itself.     

基于单电极双模态数字化系统设计

由于电阻层析成像(ERT)和电容层析成像(ECT)具有不同的应用范围,为了拓宽测量范围,通常采用ECT和ERT阵列电极组合形成双模态结构。作者在传统ECT传感器研究基础上,提出了一种新颖的单电极双模态传感器结构,并有效消除了两模态的相互影响,实现单模态或双模态运行。本文设计的数字化系统,充分利用FPGA和DSP,实现了全数字正交序列解调,系统的速度和精度都得到了提高。对系统中单电极双模态传感器、激励信号发生模块、电阻/电容转换电路及相敏解调单元等进行了分析。实验表明,该系统工作稳定、使用灵活,明显拓展测量范围。     

绝缘层参数对非接触电极心电检测性能的影响研究

心电图广泛用于人体心脏电活动特性研究和心脏相关疾病的诊断。常规的接触式湿电极普遍 使用导电膏,容易造成受试者的负担感和不适感,且存在皮肤过敏的风险,也不利于心电信号的长期监测。针对这个问题,该文设计了一种通过皮肤与电极感应层之间的容性耦合来获取心电信号的非接触电极,并搭建了基于 ADS1299 的生理信号采集系统,可实现无需导电膏、无需与皮肤直接接触的心电测量。在此基础上,该文全面研究了介于非接触电极和皮肤之间的绝缘层材料及厚度对心电信号的影响。研究结果表明,非接触电极可获取高质量的心电信号,且绝缘层参数对心电信号质量具有显 著的影响：棉布材料作为绝缘层时,心电信号质量最好;绝缘层厚度越小,心电信号质量越好。该研究结果可为非接触电极在移动健康监护中的进一步广泛应用提供重要的实验基础和理论依据。     

128电极电阻抗断层成像数据采集系统设计

以实现旋转电极法电阻抗断层成像数据采集自动化为目的,设计开发了一种基于NIOS Ⅱ处理器、拥有128个电极的旋转电极法电阻抗断层成像数据采集系统.进行了数据采集实验,在PC机上获得了采集结果,验证了系统的可靠性.     

一种基于感光干膜-铟锡氧化物电极的简易细胞阻抗传感器实现细胞形态学和阻抗信息同时检测

加工一种基于感光干膜-铟锡氧化物DFP-ITO( Dry Film Photoresist-Indium Tin Oxide)电极的细胞阻抗生物传感器并实现细胞形态学和阻抗信息同时检测。35μm厚的感光干膜层压在ITO导电玻璃表面上作为绝缘层,通过照相制版技术在感光干膜绝缘层上蚀刻不同直径圆孔;以DFP-ITO作为工作电极,通过夹具和测量小池与Ag/AgCl参比电极、Pt丝对电极相连构成三电极阻抗测量系统;考察了不同直径DFP-ITO工作电极阻抗谱特征;通过细胞粘附实验及细胞毒性实验考察了感光干膜细胞生物相容性;通过光学显微镜和阻抗谱技术分别对接种在DFP-ITO电极上人肺癌细胞株A549粘附、增殖过程中的形
　　态学和阻抗信息进行检测和分析。研究结果发现不同直径DFP-ITO电极具有相似的阻抗特性;充分固化的感光干膜表面适宜A549细胞粘附且无明显的细胞毒性;基于DFP-ITO电极构建的细胞阻抗传感器能够通过光学显微镜获取A549细胞形态学数据,同时通过阻抗谱技术能够解析A549细胞粘附、增殖过程中的细胞质膜电容、细胞-细胞间隙电阻、细胞-ITO电极间隙电阻变化。本文发展了基于DEP-ITO电极的细胞阻抗传感器结构简单,可实现细胞形态学和阻抗信息的双通道获取,未来可用于细胞生理病理学行为和药物细胞毒性研究。     

一种改进的电阻层析硬件系统设计

针对目前电阻层析成像(ERT)系统激励产生和数据采集较复杂的问题,实现了一种改进的单电极激励ERT硬件系统。采用微控器控制DAC芯片产生脉冲电压信号驱动精密电压/电流转换电路产生双极性脉冲电流激励,同时控制ADC芯片完成数据同步采集。该方法简化了激励信号的产生,不需要数据同步采集的控制模块,具有电流激励可调的特点。实验结果表明,改进的16电极ERT系统在简化设计的同时可实现208帧/秒的数据采集速度,满足实际应用要求。