電容傳感器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、電容傳感器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)電容傳感器陣列電極結(jié)構(gòu)參數(shù)觀“著ECT的辦午性能的好壞，個(gè)E1好的結(jié)構(gòu)參數(shù)町以便非線性的龜感場(chǎng)分布更加均勻.可以提高圖像重構(gòu)時(shí)圖像的空n分辨率，所以我們采川有限兀分析法對(duì)陣列電極結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)廳優(yōu)化設(shè)計(jì)可以更好地改靑ECT系統(tǒng)的件能4.1傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義在動(dòng)力工程.石油化匸、核能利用等領(lǐng)域泛存在氣液芮相謊動(dòng)匸況.如冷凝器、護(hù)發(fā)器及核反應(yīng)堆離汽發(fā)生器等管売式換熱設(shè)備阿皿-管東間的氣液兩相流型對(duì)流體的流動(dòng)特性和傳趙規(guī)艸仃弟亜要的腐響，同時(shí)也乖響流動(dòng)拳數(shù)的準(zhǔn)確團(tuán)量以及兩相流系統(tǒng)的運(yùn)b特性，因此氣液兩相流流型識(shí)別的研究一直出兩相流罄數(shù)測(cè)母的傘電要硏究方向同時(shí)也為枝業(yè)附1：嚴(yán)設(shè)

2、備妄仁汁濟(jì)運(yùn)廿提供了有力的技術(shù)支持程I是ECT糸統(tǒng)咆建圈像的ffi&受敏感場(chǎng)的杯軟場(chǎng)”特性畑響而其敏感場(chǎng)又跟傳感器的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，因此很有必要對(duì)影響傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)押優(yōu)化設(shè)訃-4.2ECT傳感器優(yōu)化目標(biāo)的選取電弄傳感器優(yōu)化II標(biāo)的11樣關(guān)系到整令瞅容烷析成像系統(tǒng)性能.在前面第3章中講逑了敏宙場(chǎng)的分布如何是圖像重建的關(guān)鍵所以確定ECT泵統(tǒng)電極的優(yōu)化指標(biāo)為敏感場(chǎng)分布的均勻性以及固fl電容變化：1）靈敏度分布的均勻性在電磯學(xué)成像蔡統(tǒng)中*-股敏感場(chǎng)分布往往是非均勻的，靠近激勵(lì)電樓和管壁區(qū)域的敏螺場(chǎng)的靈敏度髙，在管墅中心區(qū)域靈敏度較低。研處中選取n個(gè)測(cè)試單兀.嗚n個(gè)測(cè)試單局的靈放度均値和標(biāo)準(zhǔn)差

3、分別為】“/-I，1（4一1）1”TCr=丄7工（耳"）-巧）'）一17-1其中，$/（幻表示第&個(gè)測(cè)試單元的靈敏度：幕衣示靈敏度分布的均勻性.定義弓廠巧/瞎*2）七/值越小，電極幾丿之間的嫩感場(chǎng)分布越均勻。為了綜介考慮敏感場(chǎng)的靈敏度和均勻性.定義指標(biāo)八遲2必/4（4-3）/I/»2P值越小，說(shuō)明ECT傳感器敏感場(chǎng)的整體均勻性越好。（2）固有電容變化范圍CIJ-個(gè)電容測(cè)雖電路對(duì)靈敏度的要求主要依靠固有電容的變化,因此,這是IF常仃必要研究的指標(biāo).Q指管道內(nèi)允滿空氣時(shí)相鄰電容值，C滿高介電常數(shù)介質(zhì)時(shí)的相鄰電容值，-般耍求Q/Cgx越大越好，易r抗雜散電容轉(zhuǎn)換電

4、路的設(shè)計(jì).結(jié)介以上兩個(gè)指標(biāo)分析，可以定義加權(quán)聞數(shù)作為參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的仃約束條件的雖優(yōu)化口標(biāo)旳數(shù)為：p'=2，m（4-1）4.3ECT系統(tǒng)陣列電極的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取一方面測(cè)fi靈敏度與傳感器電極極板的而積（即電極覆孟率）有關(guān),通常電極覆血率越大,傳感器的測(cè)址靈敏度越高,然而在傳感器尺寸參數(shù)固定情況下,増加電極覆孟率意味減少傳感器極板的數(shù)址,從而會(huì)影響到傳感器的成像的分辨率：另一方面考慮傳感器輸出估號(hào)很小,在傳感器設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)噪聲的考慮很有必耍，應(yīng)加屏蔽電極以降低噪聲的彩響,屏蔽層與傳感器極板間距離應(yīng)為合適選擇?；鵌：述考慮，首先分析電極覆孟率與ECT傳感器測(cè)駁性能Z間的關(guān)系。然后在優(yōu)化后的電極覆蓋

5、率的基礎(chǔ)上,分析屏蔽電極與極板間距離對(duì)測(cè)盤性能的影響-本文以8電極傳感器為例進(jìn)行分析.43.1傳感器等勢(shì)線分布在ECT傳感器設(shè)計(jì)時(shí)常采用有限元仿賀的方法.通過(guò)仿真可以方便地分析各種因索對(duì)傳感器性能的彫響.從I佃提島效率以及降低設(shè)計(jì)成木。!Lb)1-2電極間的等孫線分仆圖41不同電極IS蓋率下的ECT傳感棒尊勢(shì)分布圖電極的電勢(shì)分布t§況直接影響著電極間電容的大小.從ifU影響敏感場(chǎng)的分布以及重構(gòu)圖像的質(zhì)量.因此.本文首先選取了在電極覆蓋率分別為30%、60%、90%三種情況卜進(jìn)行分析，圖4-1(a)為仿真后得到的三種情況下的等勢(shì)線分布圖.圖4-1(b)中給出了1-2極板之何的電勢(shì)分布.

6、從圖中可以看出,整個(gè)電極農(nóng)而強(qiáng)制為等外休電場(chǎng)等勢(shì)線在電極附近發(fā)生偏移電極越窄，等勢(shì)線偏移越嚴(yán)重-傳感器極板的妝&率對(duì)感應(yīng)區(qū)域的電場(chǎng)分布影響并不明顯,但是在激勵(lì)電極附近影響較為明顯。圖4-2中給出了ECT傳感器在不同極板«&率卜的徑向電勢(shì)分布曲線圖,從出I線圖中可知,栓向電勢(shì)下降速度慶極板覆孟率増加而降低.因此在三種情況F電極覆孟率F對(duì)應(yīng)的在ECT傳感器電極附近和靠近管壁處的靈敏度大小依次為:ECT(30%)<ECT(60%)<ECT(90%).從這一點(diǎn)考慮,在設(shè)計(jì)ECT傳感器時(shí),要求電極的覆孟率盡可能地大.圖4-2ECT傳感器的能向電勢(shì)分布曲線圖43.2電

7、極覆蓋率對(duì)固有電容的影響圖4-3中顯示了各電極對(duì)何的固有電容隧電極聯(lián)銘率的變化悄況.固有電容蘆著各電極尺寸的堆加而増加,肖電極覆蓋率在低于60%時(shí),增加的比較平緩，超過(guò)60%時(shí)1J電極何增加的比較劇烈.因此，從這一方面考慮，電極應(yīng)該盡可能的寬。圖43同仃電容隨電極覆蓋率的變化情況43.3屏蔽電極對(duì)固有電容的影響刖蔽電極也影響著ECT系統(tǒng)的敏感特性以及測(cè)戲電容和仃效的傲感區(qū)域.肖冊(cè)蔽Jz：到電容極板的何距過(guò)小時(shí).就會(huì)產(chǎn)生負(fù)的靈敏度區(qū)域.導(dǎo)致住圖像巫構(gòu)時(shí)出現(xiàn)圖像失真現(xiàn)彖.圖44中顯示出了屏蔽r徑的不同對(duì)各電極間固仃電容的影響»從圖中可以點(diǎn)出，屏蔽丫金是管道內(nèi)於的倍時(shí)，逐漸増大.十屏蔽丫:

8、徑是管道內(nèi)徑的141.8倍時(shí)，CIJ達(dá)到雖人.屏蔽半於與管道內(nèi)徑的比值超過(guò)1.8倍時(shí)，Cl開始明顯卜降。由此可見.屏蔽層#徑的大小應(yīng)該合理選擇.存在茲優(yōu)值。圖44同仃電容隨塀蔽半徑變化情況4.3.4比較P值圖45中給出了在屏蔽半徑不同情況卜P值隨電極覆蓋的變化怡況，從圖中可以荷出.對(duì)于在并個(gè)屏蔽丫:徑卞，P都存在一個(gè)極小值，并且可如在電極覆孟率80%左右，ECT傳感器的乂敏度均勻性較好，覆蓋率較低或較高P值都在增大ffi45在屛蔽半徑不同情況下P值隨電極覆蓋的變化情況4.4仿真結(jié)果分析根據(jù)以上分析,選取了管道內(nèi)徑Rl=55mm,外徑RA60mm,屏蔽罩半徑R3=85nun.檢測(cè)電極厚煜d=lm

9、m,代向電極氏度L=2linni.価入深度f(wàn)=2nnn.極板張角a=32極板間相隔6.5。均勻分布在有機(jī)玻璃骨道外壁匕,作為仿頁(yè)原熨.為了驗(yàn)證該電容傳感器設(shè)計(jì)的可牝性.選収了3種典型的氣液兩相流型：層狀流、核心流、環(huán)狀潦作為仿真對(duì)象,采用仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像的重建。本文選収8電極ECT系統(tǒng)進(jìn)行研究，共剖分716個(gè)單兀，仿貞實(shí)驗(yàn)在Pentium(R)Dual-CoreCPU,2G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上采用MATLAB機(jī)型仿真分析實(shí)驗(yàn)介質(zhì)黑色區(qū)域代衣水，門色區(qū)域代表空氣.為r防止灰度估計(jì)值越界.先進(jìn)行灰度濾波使管道中毎個(gè)象素的灰度值限定在0、1Z何.實(shí)驗(yàn)采取了堆常用的LBP算法進(jìn)行了分析，R.給出了評(píng)價(jià)舁法的

10、三個(gè)判據(jù)：（1）相對(duì)圖像誤基error,（2）.流型和重建圖像間的相關(guān)系數(shù)工（3）算法在MATLAB匕實(shí)際運(yùn)行時(shí)購(gòu)t.(4-5)單位/秒.n=人IK1I(4-6)Al1：&為原始流樂(lè)的介質(zhì)分布.o為取建結(jié)果的介質(zhì)分布.g為氐y屮第，單兀的介質(zhì)分仙.玄為魚建結(jié)果中第/單兀的介質(zhì)分布.乙為O的平均值.G為2的半均值卩刃a）原流型a）原流型6Ob）優(yōu)化曲葷建圖像OtOtO優(yōu)化后匝建圖像圖46忡道流體的成像效果圖4-6顯示了經(jīng)優(yōu)化陣列電極模熨用，可以6-出能夠獲紂比較理想的巫建圖像。能夠很清是的看岀流里分布，邊緣出現(xiàn)的一些模糊現(xiàn)象。表4-1優(yōu)化前的判據(jù)指標(biāo)流樂(lè)層狀流環(huán)狀流核心流E1T01*70.24%90引96.57%r0.71430.42570.05t/枚0.020.349S0.08衣4-2優(yōu)化后的判據(jù)指標(biāo)流型層狀流環(huán)狀流核心流Eitoi60.73%84.38%94.72%r0.85820.64160.03t/秒0.020.57410.04表4-1和表4-2給出了優(yōu)化前后的圖像重建的幾個(gè)判據(jù)指標(biāo),通過(guò)這些指標(biāo)對(duì)比說(shuō)明,優(yōu)化后的傳感器對(duì)流型具有良好的適應(yīng)性圖像邊緣模糊是由于LBP木身算法會(huì)引入顯苦誤差，但是該算法結(jié)構(gòu)