电容层析成像系统中径向电极的研究

由于电容层析成像系统中电容测量非常困难,常采用在相邻电极间嵌入径向电极的方法来改善电容敏感场的分布.文中对8电极电容层析成像系统进行了具体的仿真实验和理论分析,并对径向电极及其嵌入尺寸对电容传感器的电容值及敏感场分布的影响进行了研究,根据各项参数对电容传感器性能的影响以及传感器结构参数的优化目标函数,确定了径向电极的最优嵌入尺寸.实验结果表明:采用径向电极最优嵌入尺寸的电容层析成像系统,能够缩小测量电容值的动态变化范围,降低数据采集电路的设计难度,同时还能够提高电容响应的灵敏度,改善电容传感器敏感场的分布,提高电容层析成像系统的性能.     

油气润滑ECT系统传感器轴向极板的优化设计

为有效解决二维有限元模型在轴向方向无法去除边缘电容的问题,建立油气润滑ECT系统中电容传感器的三维模型;以COMSOL软件为有限元仿真平台,以润滑管道环状流端面为数据采集域,获取极板间的电容值及像素点的电场矢量值;以二维电势求解敏感场为依据,推导出基于电场计算空间单一像素点灵敏度值的表达式;以图像重建综合评价函数为优化依据,以Design-expert软件为数据处理分析平台,并以空间图像重建误差为结构优化验证指标,研究轴向边缘效应对传感器性能的影响,并对传感器的轴向保护结构进行优化设计。研究结果表明:轴向保护环的长度及间距可以有效降低边缘效应的影响,并提高电容值的准确性及敏感场的均匀性;基于电场的计算表达式可以快速计算得到灵敏度矩阵;采用增设轴向保护极板的传感器的仿真实验结果表明图像重建质量较基准传感器提高了52. 9%。     

基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法

常规光纤光栅应变传感器参数优化方法主要依托于麻雀搜索算法,但此方法忽略了应变传递的影响,导致传感器灵敏度较低,无法保证测量精度。为此,提出基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法。依据光纤光栅应变传感器的组成结构与工作原理,充分考虑应变传递系数的变化规律,计算应变传递损耗,并采用光传输矩阵计算光纤中心波长的电场振幅,由此得到传感器敏感场分布,结合模式耦合理论,以敏感场分布均匀性和最大电容与最小电容比值最小为目标函数建立参数优化模型,并采用加权最小二乘法对采样点加权获取优化响应值,进而得到传感器最优结构参数。对比实验结果表明,利用所提方法对光纤光栅应变传感器参数进行优化后,传感器的灵敏度较高,保证了传感器的测量精度。     

电容层析成像系统阵列传感器的优化设计

电容层析成像系统的结构参数对电容敏感场灵敏度的分布有重要影响,进而影响重建图像的质量.本文提出了一种灵敏场均匀性的评价指标,并据此对电容层析成像系统阵列传感器进行了优化设计.     

油气润滑测试系统的ECT传感器优化设计

建立油气润滑测试系统中的电容层析成像技术(ECT)传感器模型,运用COMSOL软件,以环状流为典型流型,获取电容值和灵敏度场信息。以重建图形质量综合评分(OS)最优为目标,Design-Expert软件为平台,对电容传感器结构参数进行正交实验设计与优化。结果表明,单因素对OS值影响的由强到弱的顺序为绝缘管壁厚度归一值、极板张角、屏蔽层与绝缘管道的间距归一值;采用优化后结构参数的传感器,重建图像质量得到了较大的提高,表明Design-Expert软件可高效、准确地对ECT传感器结构参数进行设计和参数优化,为同类研究提供了参考。     

电容式空隙率传感器有限元仿真及优化

通过有限元软件ANSYS仿真,建立了电容传感器的2D模型,计算了电容传感器的敏感场分布.以敏感场的均匀度为评价函数,基于正交试验法得到了较优的传感器结构.     

循环流化床上ECT传感器灵敏场的有限元分析

电容层析成像传感器的敏感场受多相流介质分布的影响,软场特性给图像重建带来很大困难,为了提高重建图像质量,对敏感场分布进行分析是非常必要的.该文以12电极方形电容传感器为基础,对电容层析成像技术应用于循环流化床研究做了简单阐述,着重研究了用有限元法对方形电容传感器敏感场分布的计算机仿真,讨论了负敏感场的处理方法.     

电容层析成像传感器场域剖分及图像重建算法

电容层析成像传感器的敏感场受多相流介质分布的影响，软场特性给图像重建带来很大困难，为了提高重建图像质量，对敏感场分布进行分析是非常必要的。采用有限元法，通过对敏感机理的分析，提出一种利用不等间距的场域剖分方法，对敏感场分布进行计算机仿真，依据敏感场计算的数据及测量结果，提出了基于遗传算法的图像重建算法。实验证明有限元模型是正确的，说明利用不等间距的剖分形式可以得到较好的仿真结果，重建的图像具有较高的精度。     

ERT传感器结构研究与优化设计

对ERT传感器主要参数——电极数目、电极宽度、电极高度和数据采集模式对系统性能的影响进行了仿真研究和分析，指出单独改变某一参数会使系统性能有所改善，但不能得到全局最优结果，因此需要对ERT传感器的多参数进行综合优化设计。将重建图像误差综合为重建图像质量作为优化传感器的目标函数，采用计算机有限元仿真与正交试验相结合的优化设计方法。研究表明该方法可有效地改善重建图像的总体质量，通过对传感器结构的优化，重建图像的总体质量可提高5％。     

油气润滑ECT系统传感器设计

运用SolidWorks软件和COMSOL软件建立三维ECT管道模型,通过分析与比较传感器在空/满场状态下的电容值得到了三个结构参数(电极的张角、极板的长度、管道与屏蔽层的间隔)的优化范围,并定义了传感器电容响应率指标、对传感器性能进行了定量分析。在此基础上,基于正交实验的方法,以传感器性能综合评价函数OPT为目标,运用COMSOL软件和Design-Expert软件对上述三个结构参数进行了优化。研究结果表明:①当传感器结构参数为最佳参数组合时,函数OPT值为7.2087,与实际仿真获得的OPT值之间的相对误差为3.36%;②设计的传感器具有较均匀的灵敏度分布和较高的成像质量。     

阵列式静电-电容传感器灵敏度特性研究

结合静电和电容传感技术各自的特点,提出了阵列式静电-电容传感器用于气固两相流中固相颗粒的局部速度、局部浓度以及局部流量测量。利用静电极片阵列与电容极片阵列获取管道内颗粒的速度分布与浓度分布,进而计算出颗粒的局部流量。该阵列式传感器参数测量的准确性直接取决于它的空间灵敏度分布特性。对静电极片阵列和电容极片阵列的灵敏度特性进行了研究。首先,建立了静电极片阵列的三维静电场模型,通过有限元法分析静电极片阵列的结构参数(电极长度、电极覆盖角等)对传感器灵敏度特性的影响;然后根据电磁场理论建立电容极片阵列的数学模型,并对其进行数值计算,研究管道厚度、管道介电常数、电极覆盖角等参数对传感器灵敏度特性的影响;最后搭建了传动带装置进行了实验研究,实验结果证实了模拟结果的准确性,为阵列式静电-电容传感器的优化设计提供理论依据。     

介电常数分布对电容层析成像传感器灵敏度的影响

电容层析成像技术（ECT）近年来发展迅速。ECT传感器属“软场”传感器，其灵敏度分布受被成像介电常数分布的影响。由于“软场”特性的复杂性，图像重建时常忽略其影响，其结果是重建图像中有较大的“软场”误差。为获得高质量的图像重建，必须研究ECT传感器的软场特性。本文通过典型介电常数分布下灵敏度分布的计算与比较，分析了ECT传感器的“软场”特性，给出了介电常数分布对灵敏度分布影响的主要规律。     

螺旋极板电容式传感器的特性研究和参数优化

针对传统电容式传感嚣的不足,构建了一种改进型螺旋表面极板电容式传感器.采用二维有限元和MATLAB 相结合的方法,分析了电极参数对传感嚣输出电容和灵敏度的影响,并进行了优化设计.优化后的传感器灵敏场均匀性误差小于4％,显著地改善了传感嚣的软场效应,有效地减少了流型和相分布对测量结果的影响.     

一种新的ECT敏感场计算方法

分析了电容成像传感器的敏感场电位分布与极板电容关系的理论模型,提出一种基于电位分布的灵敏度有限元计算方法.通常使用的敏感场计算的方法是根据灵敏度计算公式,改变场内每个单元介电常数,由正问题求解极板电容变化而计算得到,该法计算非常耗时.提出一种新方法,通过求解源极板和测量极板单独激励下电位分布,结合有限元单元的能量系数来计算整个敏感场分布.相比之下,新方法的计算时间大大缩短,可达2个数量级,并且重建结果与用常用计算方法的结果相一致.     

Liquid holdup measurement in horizontal oil–water two-phase flow by using concave capacitance sensor

Due to the complex flow structures of horizontal oil–water flows, the liquid holdup measurement is still a challenging problem. In this paper, we using the finite element analysis build a two-dimensional model of the concave capacitance sensor and investigate the effect of sensor geometry on the distribution of the sensitivity field. Through calculating the sensor static response for different horizontal oil–water flow patterns, we figure out the optimum geometry of the concave capacitance sensor. In addition, we conduct experiment to obtain the measured response of the concave capacitance sensor and achieve the oil-holdup by using quick closing valve. The results indicate that the optimized concave capacitance sensor shows good performance for liquid holdup measurement of horizontal oil–water two-phase flow.     

一种新型电容式空隙率传感器仿真研究

该文提出了一种侵入式多环套状结构电极的电容传感器,并研究它对气液两相流空隙率测量的可行性。通过建立多环套状电容传感器装置的有限元仿真数学模型,运用ANSYS软件对电容传感器有限元模型进行了二维静电场仿真。其分析了极板间的电位分布,计算不同相分布下传感器的电容及变化量,分析空隙率的设定值与仿真值对比结果,并以层流和环流为例比较并分析传感器的灵敏度以及受流型的影响。仿真结果表明,多环套状电极结构电容传感器可运用于两相流的空隙率测量技术上,为多环套状电极结构电容传感器的设计提供了部分理论依据。     

基于灵敏度分析的静电传感器优化设计

对用于金属接触损伤监测的静电传感器进行了优化设计研究.利用高斯定律建立了传感器静电感应的解析模型,利用有限元分析方法获得了静电传感器的灵敏度空间分布规律.并在此基础上.,针对不同的设计参数进行了有限元仿真分析,得出设计参数(感应面半径、屏蔽罩厚度、屏蔽罩内径、绝缘体介电常数、感应面内缩长度)对灵敏度空间分布的影响,并在试验台上验证了不同设计参数对接触损伤静电信号的影响,为传感器优化设计提供了依据.