阵列式静电传感器成像系统研究

作     者：穆星达 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓湘

授予年度：2016年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：气固两相流 静电传感器阵列 感应成像 有限元分析 图像重建 

摘      要：气／固两相流广泛存在于自然界、工业生产过程和科学实验中。气／固两相流参数的测量对于两相流流体的理论研究和工业生产中的效率控制及安全水平提高有着重要意义,是当前国内外学者的研究热点之一。通过静电法测量气／固两相流参数信息是一种新型检测手段,这种方法基于气／固两相流中固体颗粒静电特性来实现两相流参数的检测,具有结构简单、速度快、成本低等特点。本研究主要应用阵列式静电传感器成像系统对气固两相流的流型等参数进行实时可视化测量,完成相关理论和模拟实验研究。本文首先针对用于气／固两相流参数检测的静电传感器和重建算法的国内外研究现状进行了分析,总结了静电法测量两相流参数的基本原理。在此基础上提出了一种新型阵列式的静电传感器结构,利用COMSOL Multiphysics软件建立了系统的有限元模型,验证了传感器敏感空间的非均匀性,得到了传感器灵敏度在轴向、径向与周向方向上的分布曲线。根据得到的灵敏度分布特性,对传感器的结构和电极尺寸参数进行了优化设计与研究。根据阵列式静电传感器的特性,对流型分布的静电层析成像算法进行了研究,首先通过有限元模型完成了算法正向问题的建模和成像区域划分,在反问题的计算上采用了基于Tikhonov正则化的图像重建方法。采用边界滤波方法对正则化图像进行了边缘误差修正,并利用拉式算子对图像进行了锐化处理。基于最大熵方法对图像进行了二值化处理,使重建图像具有了更高的精度和可辨识度。通过气固颗粒流的模拟实验装置对系统进行实验验证,设计了传感器的信号调理和控制电路,并完成了控制与成像程序的编写。通过模拟实验研究可知,新型阵列式静电传感器在性能上优于传统结构的传感器。在实验中对不同流型下系统的成像结果进行了对比与分析,得到了较为准确的成像结果。