一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法，具體按照以下步驟實(shí)施：步驟1：建立陣列式靜電傳感器的三維仿真模型，獲取動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S和比例因子矩陣K；步驟2：陣列式靜電傳感器從管道的不同角度檢測(cè)管道內(nèi)帶電顆粒流動(dòng)所產(chǎn)生的靜電信號(hào)；步驟3：調(diào)理電路將靜電信號(hào)轉(zhuǎn)換為?5V?+5V的交流電壓信號(hào)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理；步驟4：獲取速度頻率場(chǎng)P；步驟5：根據(jù)速度頻率場(chǎng)P和比例因子K得到速度場(chǎng)V。本發(fā)明一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法，同現(xiàn)有的靜電傳感器測(cè)速方法相比，計(jì)算效率更高，速度更快，精度更高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于氣固兩相流測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于陣列式靜電傳感器的速 度場(chǎng)層析成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣固兩相流動(dòng)過(guò)程中固體顆粒速度的大小是氣固兩相流的重要特征參數(shù)，其無(wú)論 是實(shí)現(xiàn)流動(dòng)過(guò)程的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，還是建立氣固兩相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型都具有重要意義。目前，基 于不同的測(cè)量原理，人們已經(jīng)研究和開(kāi)發(fā)了多種實(shí)現(xiàn)氣固兩相流中固相顆粒速度測(cè)量的方 法，如多普勒法，示蹤法，相關(guān)法和空間濾波法等。多普勒測(cè)速WDoppler頻移定理作為固體 速度測(cè)量的基礎(chǔ)，可W使用激光、微波或者超聲波作為能源，具有傳感器形式多樣，測(cè)量精 度較高的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于惡劣工業(yè)環(huán)境下的復(fù)雜氣固兩相流動(dòng)，存在安裝復(fù)雜，受測(cè)量工況 影響較大，且成本較高的缺點(diǎn);示蹤法的測(cè)量原理是在兩相流中的任一相加入示蹤物，根據(jù) 從下游示蹤物的采樣或檢測(cè)的時(shí)間來(lái)確定混合物的流速，此方法的原理簡(jiǎn)單，其一般要求 加入放射性物質(zhì)，具有不需要校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)而且裝置安裝方便，但即使放射源采用具有較短 半衰期的放射性同位素，也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的污染問(wèn)題，且成本較高;相關(guān)法利用上下游隨機(jī)信 號(hào)的相似性實(shí)現(xiàn)速度測(cè)量，具有測(cè)量范圍寬，適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，只需選擇合適的傳感器便可 W實(shí)現(xiàn)對(duì)不同對(duì)象的測(cè)量，但測(cè)量時(shí)要求流動(dòng)穩(wěn)定，固相彌散度盡可能均勻，并且計(jì)算量較 大，不適于速度場(chǎng)的獲取;空間濾波法作為一種光學(xué)測(cè)速方法是上個(gè)世紀(jì)六十年代由Ator 教授提出的，目前已延伸到其他傳感器空間濾波效應(yīng)上，其利用傳感器的空間頻率響應(yīng)特 性實(shí)現(xiàn)速度參數(shù)的測(cè)量，具有適用范圍廣，使用靈活的突出優(yōu)點(diǎn)，但是其測(cè)量精度容易受到 流型，粒徑等因素的影響。
[0003] 在氣固兩相流中，固體顆粒在氣體攜帶下流動(dòng)，流動(dòng)過(guò)程中由于顆粒與顆粒之間， 顆粒與管道之間的接觸摩擦，顆粒與氣體之間的相對(duì)滑移W都可能使顆粒產(chǎn)生自然荷電現(xiàn) 象，從而使運(yùn)動(dòng)的顆粒形成了靜電噪聲信號(hào)。靜電噪聲信號(hào)包含了大量的顆粒流動(dòng)參數(shù)信 息，對(duì)其加W適當(dāng)?shù)男畔⑻幚矸椒?，即可獲得兩相流流動(dòng)參數(shù)(速度、濃度、流量等）。靜電傳 感器能夠有效地捕捉到運(yùn)些靜電噪聲信號(hào)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境 等多種優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法，解決了 現(xiàn)有的靜電傳感器測(cè)速精度低的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方 法，具體按照W下步驟實(shí)施：
[0006] 步驟1:建立陣列式靜電傳感器的=維仿真模型，獲取動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S和比例因子矩 陣K;
[0007] 步驟2:陣列式靜電傳感器從管道的不同角度檢測(cè)管道內(nèi)帶電顆粒流動(dòng)所產(chǎn)生的 靜電信號(hào)；
[0008] 步驟3:調(diào)理電路將靜電信號(hào)轉(zhuǎn)換為-5V-巧V的交流電壓信號(hào)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡 傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理；
[0009] 步驟4:獲取速度頻率場(chǎng)P;
[0010] 步驟5:根據(jù)速度頻率場(chǎng)巧P比例因子K得至幡度場(chǎng)V。
[0011] 本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：
[001 ^ 步驟巧體為：
[0013] 動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S的獲取
[0014] 建立陣列式靜電傳感器=維仿真模型，將陣列式靜電傳感器檢測(cè)區(qū)域的截面劃分 為M個(gè)像素單元，并依次計(jì)算陣列式靜電傳感器各電極對(duì)每個(gè)像素單元Im/s時(shí)的動(dòng)態(tài)靈敏 度Dij，然后對(duì)化j進(jìn)行FFT變化，電極的序號(hào)i = 1，2，3-'H，H為電極的個(gè)數(shù)，像素單元的序號(hào)j =1，2，3-M，依次獲取第i個(gè)電極對(duì)第j個(gè)像素單元的峰值頻率f U，最終建立陣列式靜電傳 感器的動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S:
[001 引
（1)
[0016] 其中，S是HXM矩陣；
[0017] 比例因子K的獲取
[0018] =維仿真模型中，設(shè)定所有像素單元存在單位電荷，計(jì)算當(dāng)所有像素單元上的電 荷W單位速度Im/s運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)電極上的動(dòng)態(tài)靈敏度Di，i = 1，2，3…H，然后對(duì)Di進(jìn)行FFT變 換，從而獲取不同電極上的峰值頻率化i，用矩陣RJ表示各個(gè)電極峰值頻率化i的集合，RJ為H Xl矩陣，比例因子K為：
[0019] K = ST 沖 U (2)
[0020] K為M Xl的矩陣麻為矩陣S的轉(zhuǎn)置。
[0021 ]步驟4速度頻率場(chǎng)P的獲取方法為：
[0022] 計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的陣列式靜電傳感器每個(gè)電極上的靜電信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，根 據(jù)每個(gè)電極的功率譜分析結(jié)果計(jì)算每個(gè)電極的等效峰值頻率Fi:
[0023]
(3) 1234 其中，P表示功率譜分析中的幅值，f表示功率譜分析中的頻率，i = l，2,3-'H，H為 電極的個(gè)數(shù)，n = l，2,3-'N，n表示功率譜分析中的頻率的序號(hào)，N表示總的頻率數(shù)； 2 采用LBP算法計(jì)算截面的速度頻率場(chǎng)P: 3 P = ST 沖 （4) 4 P是MXl的矩陣，M為截面劃分的像素單元數(shù)，ST為動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S的轉(zhuǎn)置，F(xiàn)是Fi的集 合，是HXl矩陣。
[0028] 步驟5中速度場(chǎng)V為：
[0029] V = P/K (5)
[0030] V是M X 1矩陣，每個(gè)元素代表一個(gè)像素單元的速度。
[0031] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方 法，將靜電傳感器的空間濾波特性與層析成像技術(shù)相結(jié)合，充分利用靜電傳感器空間濾波 測(cè)速的簡(jiǎn)單，可靠，靈活，低成本，高適用性等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合已有的層析成像技術(shù)將測(cè)量對(duì)象進(jìn) 行像素單元細(xì)分，通過(guò)建立不同像素單元的空間濾波靈敏度(動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)），從而克服現(xiàn)有 靜電傳感器空間濾波測(cè)速受管內(nèi)顆粒分布影響較大的缺點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮層析成像技術(shù)快速直 觀(guān)的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)流動(dòng)截面速度場(chǎng)參數(shù)的在線(xiàn)測(cè)量。本發(fā)明同現(xiàn)有的靜電傳感器測(cè)速方法 相比，計(jì)算效率更高，速度更快，精度更高。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1是本發(fā)明中采用的陣列式靜電傳感器的俯視圖；
[0033] 圖2是本發(fā)明中基于陣列式靜電傳感器的氣固兩相流測(cè)量系統(tǒng)圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明中信號(hào)調(diào)理電路的電路圖。
[0035] 圖中，1.計(jì)算機(jī)，2.法蘭，3.絕緣管道，4.電極，5.接地電極，6.外屏蔽層，7.同軸屏 蔽電纜，8.信號(hào)調(diào)理電路，9.數(shù)據(jù)采集卡。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0037] 實(shí)施本發(fā)明的基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法時(shí)的陣列式靜電傳 感器的形式多樣，可W將電極4布置在絕緣管道3外表面實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，也可W將電極4 鑲嵌在管道內(nèi)壁，即通過(guò)在金屬管道內(nèi)壁開(kāi)槽鋪墊絕緣層將電極4嵌入的方式，使得電極4 與管道內(nèi)壁平齊，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。實(shí)現(xiàn)速度場(chǎng)層析成像時(shí)均為陣列式靜電傳感器獲取 靜電信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路8和數(shù)據(jù)采集卡9進(jìn)入計(jì)算機(jī)1，在計(jì)算機(jī)1內(nèi)計(jì)算得到速度場(chǎng) V，并通過(guò)IW圖形的形式直觀(guān)的顯示。
[0038] 本發(fā)明中具體實(shí)施時(shí)采用的陣列式靜電傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1、基于陣列式靜電傳 感器的氣固兩相流測(cè)量系統(tǒng)圖如圖2所示，包括在圓形絕緣管道3中通過(guò)法蘭2安裝陣列式 矩陣銅制電極4,電極4的兩側(cè)均設(shè)置有環(huán)狀接地電極5,電極4的外部設(shè)置有外屏蔽層6,將 陣列電極4和接地電極5通過(guò)同軸屏蔽電纜7與信號(hào)調(diào)理電路8連接，信號(hào)調(diào)理電路8如圖3所 示，其中，圖3(a)為靜電傳感器的電壓源等效電路圖，其中Rt和C分別代表電壓放大電路的 等效輸入電阻和電容，其中等效電阻Rt由靜電傳感器的絕緣電阻和放大器的輸入電阻兩部 分組成；等效電容由靜電傳感器的對(duì)地電容、電纜的等效電容和運(yùn)算發(fā)大器的輸入電容組 成；圖3(b)是電壓跟隨放大電路，信號(hào)調(diào)理電路8依次與數(shù)據(jù)采集卡9、計(jì)算機(jī)1連接，陣列式 靜電傳感器將絕緣管道3內(nèi)帶電顆粒的流動(dòng)信息捕獲后，經(jīng)同軸屏蔽電纜7傳送到信號(hào)調(diào)理 電路8,經(jīng)電壓跟隨和放大后轉(zhuǎn)換為-5-+5V的電壓信號(hào)送數(shù)據(jù)采集卡9,經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入 計(jì)算機(jī)1，計(jì)算機(jī)1利用采集到的靜電信號(hào)完成速度場(chǎng)信息的反演計(jì)算。
[0039] 本發(fā)明基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法，具體步驟為：
[0040] 步驟I:建立陣列式靜電傳感器的=維仿真模型，獲取動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S和比例因子矩 陣K，具體為：
[0041] 動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S的獲取
[0042] 將陣列式靜電傳感器檢測(cè)區(qū)域的截面劃分為M個(gè)像素單元，并依次計(jì)算陣列式靜 電傳感器各電極4對(duì)每個(gè)像素單元Im/s時(shí)的動(dòng)態(tài)靈敏度Du,然后對(duì)Du進(jìn)行FFT變化，電極4 的序號(hào)i = l，2,3-H，H為電極4的個(gè)數(shù)，像素單元的序號(hào)j = l，2,3-M，依次獲取第i個(gè)電極4 對(duì)第j個(gè)像素單元的峰值頻率fu，最終建立陣列式靜電傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S:
[0043]
(1)：
[0044] 其中，S是H XM矩陣；
[0045] 比例因子K的獲取
[0046] =維仿真模型中，設(shè)定所有像素單元存在單位電荷，計(jì)算當(dāng)所有像素單元上的電 荷W單位速度Im/s運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)電極上的動(dòng)態(tài)靈敏度Di，i = 1，2，3…H，然后對(duì)Di進(jìn)行FFT變 換，從而獲取不同電極上的峰值頻率化i，用矩陣RJ表示各個(gè)電極峰值頻率化i的集合，RJ為H Xl矩陣，比例因子K為：
[0047] K = ST 沖 U (2)
[004引K為M Xl的矩陣麻為矩陣S的轉(zhuǎn)置。
[0049] 步驟2:陣列式靜電傳感器從管道3的不同角度檢測(cè)管道3內(nèi)帶電顆粒流動(dòng)所產(chǎn)生 的靜電信號(hào)；
[0050] 步驟3:調(diào)理電路則尋靜電信號(hào)轉(zhuǎn)換為-5V-巧V的交流電壓信號(hào)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡 9傳輸?shù)接?jì)算機(jī)1進(jìn)行處理；
[0051 ]步驟4:獲取速度頻率場(chǎng)P，具體為：
[0052] 計(jì)算機(jī)1對(duì)采集到的陣列式靜電傳感器每個(gè)電極4上的靜電信號(hào)進(jìn)行功率譜分析， 根據(jù)每個(gè)電極4的功率譜分析結(jié)果計(jì)算每個(gè)電極4的等效峰值頻率Fi:
[0053]
(3)
[0054] 其中，P表示功率譜分析中的幅值，f表示功率譜分析中的頻率，i = l，2,3-'H，H為 電極4的個(gè)數(shù)，n = l，2,3-'N，n表示功率譜分析中的頻率的序號(hào)，N表示總的頻率數(shù)；
[0055] 采用LBP算法計(jì)算截面的速度頻率場(chǎng)P:
[0056] P = S^F (4)
[0057] P是MXl的矩陣，M為截面劃分的像素單元數(shù)，ST為動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S的轉(zhuǎn)置，F(xiàn)是Fi的集 合，是HXl矩陣。
[005引步驟5:根據(jù)速度頻率場(chǎng)P和比例因子K得到速度場(chǎng)V:
[0059] V = P/K (5)
[0060] V是M X I矩陣，每個(gè)元素代表一個(gè)像素單元的速度。
[0061] 本發(fā)明一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法，將靜電傳感器的空間 濾波特性與層析成像技術(shù)相結(jié)合，充分利用靜電傳感器空間濾波測(cè)速的簡(jiǎn)單，可靠，靈活， 低成本，高適用性等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合已有的層析成像技術(shù)將測(cè)量對(duì)象進(jìn)行像素單元細(xì)分，通過(guò)建 立不同像素單元的空間濾波靈敏度(動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)），從而克服現(xiàn)有靜電傳感器空間濾波測(cè)速 受管內(nèi)顆粒分布影響較大的缺點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮層析成像技術(shù)快速直觀(guān)的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)流動(dòng)截 面速度場(chǎng)參數(shù)的在線(xiàn)測(cè)量。本發(fā)明同現(xiàn)有的靜電傳感器測(cè)速方法相比，具有計(jì)算效率更高， 速度更快，精度更高的優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量速度場(chǎng)參數(shù)提供了全新的手段。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法，其特征在于，具體按照以下步 驟實(shí)施： 步驟1:建立陣列式靜電傳感器的三維仿真模型，獲取動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S和比例因子矩陣K; 步驟2:陣列式靜電傳感器從管道(3)的不同角度檢測(cè)管道(3)內(nèi)帶電顆粒流動(dòng)所產(chǎn)生 的靜電信號(hào)； 步驟3:調(diào)理電路(8)將靜電信號(hào)轉(zhuǎn)換為-5V-+5V的交流電壓信號(hào)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡 (9)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(1)進(jìn)行處理； 步驟4:獲取速度頻率場(chǎng)P; 步驟5:根據(jù)速度頻率場(chǎng)P和比例因子K得到速度場(chǎng)V。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法，其特征 在于，所述步驟1具體為： 動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S的獲取 建立陣列式靜電傳感器的三維仿真模型，將陣列式靜電傳感器檢測(cè)區(qū)域的截面劃分為 M個(gè)像素單元，并依次計(jì)算陣列式靜電傳感器各電極(4)對(duì)每個(gè)像素單元lm/s時(shí)的動(dòng)態(tài)靈敏 度Dij，然后對(duì)D ij進(jìn)行FFT變化，電極⑷的序號(hào)i = 1，2，3…H，H為電極⑷的個(gè)數(shù)，像素單元 的序號(hào)」= 1，2,3···Μ，依次獲取第i個(gè)電極(4)對(duì)第j個(gè)像素單元的峰值頻率fij，最終建立陣 列式靜電傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S:(1) 其中，S是HXM矩陣； 比例因子K的獲取 三維仿真模型中，設(shè)定所有像素單元存在單位電荷，計(jì)算當(dāng)所有像素單元上的電荷以 單位速度lm/s運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)電極上的動(dòng)態(tài)靈敏度Di，i = 1，2，3···Η，然后對(duì)Di進(jìn)行FFT變換，從 而獲取不同電極上的峰值頻率f m，用矩陣FU表示各個(gè)電極峰值頻率f m的集合，F(xiàn)U為H X 1矩 陣，比例因子K為： K = ST*FU (2) K為M Xl的矩陣;St為矩陣S的轉(zhuǎn)置。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法，其特征 在于，所述步驟4速度頻率場(chǎng)P的獲取方法為： 計(jì)算機(jī)(1)對(duì)采集到的陣列式靜電傳感器每個(gè)電極(4)上的靜電信號(hào)進(jìn)行功率譜分析， 根據(jù)每個(gè)電極(4)的功率譜分析結(jié)果計(jì)算每個(gè)電極(4)的等效峰值頻率F1: (3) 其中，P表示功率譜分析中的幅值，f表示功率譜分析中的頻率，i = I，2，3···Η，H為電極 (4)的個(gè)數(shù)，η = 1，2，3···Ν，η表示功率譜分析中的頻率的序號(hào)，N表示總的頻率數(shù)； 采用LBP算法計(jì)算截面的速度頻率場(chǎng)P: P = ST*F (4) P是M X 1的矩陣，M為截面劃分的像素單元數(shù)，St為動(dòng)態(tài)靈敏場(chǎng)S的轉(zhuǎn)置，？是巧的集合，是 HXl矩陣。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列式靜電傳感器的速度場(chǎng)層析成像方法，其特征 在于，所述步驟5中速度場(chǎng)V為： V = P/K (5) V是M X 1矩陣，每個(gè)元素代表一個(gè)像素單元的速度。
【文檔編號(hào)】G01P5/08GK106018872SQ201610311039
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】高鶴明
【申請(qǐng)人】西安理工大學(xué)