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《基于均匀设计和最小二乘支持向量机的电容层析成像传感器优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、基于均匀设计和最小二乘支持向量机的电容层析成像传感器优化设计第14卷3期2006年9月应用基础与工程科学JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGVo1.14,No.3September2006文章编号:1005-0930(2006)03-0396-07中图分类号:TP212文献标识码:A基于均匀设计和最小二乘支持向量机的电容层析成像传感器优化设计董向元,刘石2,李惊涛2,郭建民2(1.中原工学院能环学院,郑州450007;2.中国科学院工程热物理研究所,北京100080)摘要:提出一种采用均匀设计与最小二乘支持向量机相结合的电容层析成像传感器结构参数
2、优化方法.该方法以敏感场均匀度为设计目标,采用均匀设计安排试验,试验因素包括ECT传感器的4个重要参数即:极板张角,绝缘管道材料相对介电常数,管道壁厚,以及屏蔽罩与电容极板间的间距.运用最小二乘支持向量机对试验结果进行回归分析,并用因素轮换法进行寻优计算,从而得出优化的传感器结构参数.结果表明:经过优化的电容成像系统具有较好的成像效果.该方法试验次数少,具有较强的实用性.关键词:电容层析成像;优化设计;均匀设计;最小二乘支持向量机电容层析成像技术(ElectricalCapacitanceTomography,ECT)是应用于多相流测量的一种新型技术,因其具有不干扰流场,快速,廉
3、价,无放射性及适用范围广等优点,近年来广泛应用于气/水/油多相流,气/固两相流及流化床等领域¨.J.电容层析成像的基本原理是当管道中物质分布发生变化时,会使得电容传感器不同极板问的电容值改变,通过检测电路巡回检测各极板间的电容值,并运用适当的图像重建算法,即可重建出流体在管道断层面的分布图像.目前,比较常用的图像重建算法,如线性反投影算法及Landweber迭代法等,多都以传感器敏感场为基础进行图像重建,而电容层析成像系统中,敏感场分布是非均匀的,主要表现在两点:其一,靠近管壁处,敏感场的灵敏度高,而在场的中心区域灵敏度低;其二,存在负灵敏区域.这种敏感场的非均匀性对图像重建会产
4、生一定的负面影响,因此必须对传感器电极结构参数进行优化设计,以构建相对均匀的敏感场.用于电容传感器参数优化的设计方法目前主要包括两种剐:一种是因素轮换法,另一种是正交设计方法,但这两种方法在水平数较大时都存在计算量大的缺点.本文从电容敏感度的角度出发,采用均匀设计方法,并结合支持向量机对8电极电容传感器参数进行设计,为设计出结构参数优化合理的传感器提供了一种高效的新方法.1传感器结构参数优化目标函数获取均匀敏感度是本文传感器优化的主要目标.对于两相流系统,电极对之间的电容收稿日期:2005-09-01;修订日期-2006-07—19基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.502
5、76062)作者简介:董向元(1974一),男,博士.No.3董向元等:基于均匀设计和最小二乘支持向量机的电容层析成像传感器优化设计397敏感度分布定义为:s)褊(1)式中,Si,j(e)为√电极间第e个测试微元的灵敏度,CJ(e)是当管内第e个单元材料的介电常数为s,且其余单元材料的介电常数都为s时的电容值.ch和c分别是管内充满介电常数为和s材料时的电容值.(e)是与管内第e个单元面积有关的修正因子.由于对称性,对于8电极系统,只需考虑28个敏感度中的4个即可,即S(i=1,=2,…,5).则n个测试单元敏感度的均值和标准偏差分别为:dev={e)-sz)e=lSi,j(av
6、g引入一个传感器的优化设计指标:P=1(j童=2ldev1)3P越小,电极对√之间的敏感场分布越均匀.2传感器结构参数均匀设计电容传感器的4个主要结构参数包括:电容极板张角0,绝缘管道材料的相对介电常数s,绝缘管道壁厚R一R,及屏蔽罩与电容极板间的间距R,一R,见图1,考虑到不同管径,将管道壁厚度尺一R以及屏蔽罩与电容极板间的间距R,一R对管道内径R1归一化,即令:dl=(R2一R1)/Rl,d2=(R3一R2)/Rl电极绝缘管道屏蔽罩图18电极传感器截面图Fig.1Cross?sectionalviewoftheECTsensor(4)with..l..因此存在:P=,s,d,
7、d)(5)目标函数除了要反映不同测试单元间的差异和不均匀(如上式所示)外,还要考虑电极对间电容的不均匀,因此定义:K=c一/c,该参数主要用于考察测量电容是否处于测量电路的动态范围内,即是否满足测量技术限制,其中c为最小电容值,即管内充满介电常数为时1,2电极间的电容值,cmi为最小电容,即管内充满介电常数为s,时1,5电极间的电容值.常见的气固,气液两相流的固液相的相对介电常数s在1—3之间,本文选取3,s取为空气的相对介电常数1.由此,参数优化设计问题就变成求解有约束条件的最
