ERT∕UTT双模态传感器尺寸优化仿真

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1、2017年2月第43卷第2期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsFebruary2017V01．43No．2http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0120ERT／UTT双模态传感器尺寸优化仿真孙红丽1’2，谭超1’2’，董峰1’2(1．天津大学电气自动化与信息工程学院，天津300072；2．天津大学天津市过程检测与控制重点实验室，天津300072)摘要：针对电阻／超声双模态层析成像传

2、感器配置优化问题，提出管道同一截面内配置电极与超声探头，实现对管道内同一被测对象同一时间的检测。采用数值仿真方法，考察电学敏感场与超声敏感场在管道内分布情况，优化双敏感场的互补信息获取范围，获得被测场域内同一被测对象的多敏感信息。为降低被测截面内电极对超声敏感场的影响，定义双敏感场的最优灵敏度与均匀度，利用数值仿真方法对电极与超声探头的安装结构与尺寸进行优化，最终获得16电极与16超声探头间隔放置的最优空间结构与相对尺寸。关键词：双模态层析成像；电阻层析成像；超声透射层析成像；灵敏度；均匀性；传感器优化中图分类号：TP212．6文献标识码：A文章编号：1001—5965(2017

3、)02—0388．07过程层析成像(ProcessTomography，PT)通过安装在被测容器周围的传感器阵列，在容器内形成覆盖被测空间的敏感场，通过场内介质对敏感场调制作用，利用传感器阵列获取被测对象信息，再通过图像重建算法再现被测容器内部的介质分布。PT技术在化工、石油、冶金与物料运输等工业生产过程中有广泛的应用前景，但目前普遍存在工作范围较窄、分辨率低等问题¨。。电阻层析成像(ElectricalResistanceTomo—graphy，ERT)是利用物场内介质电导率变化获取物场信息，进而重建介质分布的检测技术¨’，通常采用电流激励．电压测量的相邻采集工作方式∞1，通过

4、向管道内注入电流，形成电场，当管道内介质发生变化时，电场分布随之变化，进而获得描述管道内介质分布的边界电压。ERT为保证较高测试精度需在导电介质为连续相条件下工作。4。，故测量范围有限‘。。超声层析成像(UltrasoundTomography，uT)技术通过超声波与被测物体之间的相互作用获取被测对象内部信息。6。超声与不同材料的被测物体之间的作用分为3类：透射作用、反射作用和衍射作用”1。超声透射层析成像(UltrasoundTransmissionTomo—graphy，UTT)利用超声波在传播过程中发生的衰减，因此接收探头上的超声波声压变化包含了场域内介质的变化信息¨。。U

5、TT系统通常采用单发单收或一发多收的工作方式。9，由于介质中超声波传播速度有限，UTT系统的实时性受限‘10]，测量对象的强非均质性影响成像质量⋯o。利用不同敏感原理的传感器可获取被测对象不同特性的信息，通过综合多种敏感信息可克服单一模态中测量范围与获得信息有限的缺点‘12【。2001年，Hoyle等¨3。提出将ERT／ECT(ElectricalConductanceTomography)／UT不同原理的传感器分别安装在管道不同截面，实现多种敏感数据的测量，扩充敏感范围。该方法虽具有结构简单且敏感场互不影响的优势，但测量结果不能反映同收稿日期：2016-01-29；录用日期：2

6、016-06—12；网络出版时间：2016-09-0614：43网络出版地址：WWW．cnki．net／kems／detail／11．2625．V．20160906．1443．003．html基金项目：国家自然科学基金(61473206，61227006)$通讯作者：E—mail：tancbao@tju，edu．en引用格式：孙血丽，谭超，董峰．ERⅣ【，TT双模态传感嚣尺寸优化仿真fJJ．北京航空航天大学学报，2017，43f2)：388．394．SUNHL，TANC，DONGF．Simulationbasedsensorsizeoptimizationfordual-moda

7、lityERT／UTT(J．JournalofBeijingUniver-sityofAeronauticsandAstronautics，2017，43但)：388—394(inChinese)．第2期孙红丽，等：ERT／UTT双模态传感器尺寸优化仿真389一时间、同一流体过程信息，因此在多相流检测中存在信息难以对准的问题。”。。在同一测试截面上安装多模态传感器，可获得管道内同一被测对象同一时间的多敏感信息，具有信息量互补、图像重建效果好的优势¨“。2014年，Yunus等。1