基于COMSOL的ECT传感器设计与优化研究.pdf

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1、学校代码：10264研究生学号：M150551703上海海洋大学硕士学位论文基于COMSOL的ECT传感器设计题目：与优化研究ResearchonDesignandOptimization英文题目：ofECTSensorBasedonCOMSOL专业：计算机技术（工学）研究方向：传感器与多相流技术姓名：程小龙指导教师：何世钧二O一八年四月六日上海海洋大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经明确注明和引用的内容外

2、，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日上海海洋大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论

3、文属于不保密□学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日上海海洋大学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名工作单位职称备注徐方勤建桥学院教授主席邹国良上海海洋大学教授委员郑宗生上海海洋大学副教授委员熊中敏上海海洋大学副教授委员宋巍上海海洋大学教授委员郑永德上海海洋大学讲师秘书答辩地点信息学院答辩日期2018.5.22上海海洋大学硕士学位论文基于COMSOL的ECT传感器设计与优化研究摘要现代的工业社会中，电容层析成像技术在工业生产领域有着极为广泛的应用，如医药、化工、能源、冶金、石油等领域。此外，石油、冶

4、金、电力工业中各种固态和液态物料的输送过程，化工、医药、能源领域中的液态化过程、混合过程、干燥过程、反应过程等都涉及到了电容层析成像技术和多相流测量问题，在石油工业中的应用最为显著。我国有着丰富的海洋资源，在中国的诸多海域贮藏着丰富的油气资源，这意味着我国要加强对于海洋空间资源的开发，进入一种海洋空间开发的全新模式。在油气资源的开发中要有运输、检测、干燥等技术的保障，而电容层析成像和多相流检测技术是海洋空间资源开发中必备的一种技术需求。电容层析成像（ElectricalCapacitanceTomography，E

5、CT）技术为过程层析成像技术（ProcessTomography，PT）的一种，其借助设置于被测对象外部的传感器阵列对被测场域内电容值展开测量，进而得到被测场域内介质的分布状况，在图像重建程序的作用下，被测对象内部的介质分布状况能够被重现。ECT技术具有诸多的突出优势，如非侵入、无辐射、安全性能突出等，在实践领域有着极为广泛的应用。对于多相流检测而言，该应用有着巨大的发展潜力。但是ECT技术在短时间内还难以在工业现场中有广泛的应用，相关研究者应该进一步加强ECT技术方面的研究，推动ECT技术发挥更大的实践功效。在此

6、背景下，本文从ECT传感器的应用和研究出发，设计和优化了规则和非规则电容层析成像传感器。在本文中，对于ECT电容传感器的设计与优化进行了深入研究，在对规则几何形状的ECT传感器进行研究时，引入了8电极ECT传感器，以此为研究对象设计了一种全新结构的ECT传感器，并从多个角度对其进行优化。同时设计了非规则几何形状的传感器，对其进行了优化，并提出一种新的评价传感器性能的方法。本文的主要研究内容和成果如下：（1）基于COMSOLMultiphysics（简称COMSOL）建立了电容层析成像传感器的仿真模型，对传感器模型在

7、真实环境下进行正问题的求解，并根据电容层析成像传感器的电场属性提出非规则传感器性能评价函数。根据传感器的敏感场可以评价传感器的性能优劣，从而能对电容层析成像传感器进行优化。I上海海洋大学硕士学位论文（2）在实验研究中建立了8电极的规则几何形状三维ECT传感器物理仿真模型，并从优化方法、传感器的结构化参数和传感器的结构等方面对ECT传感器进行优化。优化方法主要包括因素轮换法、正交设计法、回归正交实验设计法、均匀设计法，传感器的结构化参数主要从电极板的长度、是否有屏蔽层和电极板的覆盖率方面进行，根据得出的电容值的最大值

8、、最小值以及敏感场的分布情况等诸多方面对传感器的性能展开客观评价，最终确定了最佳几何参数。除此之外，设计了一种全新的ECT传感器结构，并和传统的传感器进行对比。在传感器采用新结构的情况下，不但能提高最大、最小电容值，降低了数据采集系统对于极板间电容值检测的难度，并且同时使传感器场域内的敏感场的均匀性更好，图像重建质量更高。优化的过程中进一步对传感器中的敏感场