一種基于陣列式靜電傳感器的速度場層析成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于陣列式靜電傳感器的速度場層析成像方法，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，獲取動態(tài)靈敏場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管道內(nèi)帶電顆粒流動所產(chǎn)生的靜電信號；步驟3：調(diào)理電路將靜電信號轉(zhuǎn)換為?5V?+5V的交流電壓信號，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P；步驟5：根據(jù)速度頻率場P和比例因子K得到速度場V。本發(fā)明一種基于陣列式靜電傳感器的速度場層析成像方法，同現(xiàn)有的靜電傳感器測速方法相比，計(jì)算效率更高，速度更快，精度更高。
【專利說明】
-種基于陣列式靜電傳感器的速度場層析成像方法
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 度場層析成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣固兩相流動過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)，其無論 是實(shí)現(xiàn)流動過程的在線監(jiān)測，還是建立氣固兩相流動的數(shù)學(xué)模型都具有重要意義。目前，基 于不同的測量原理，人們已經(jīng)研究和開發(fā)了多種實(shí)現(xiàn)氣固兩相流中固相顆粒速度測量的方 法，如多普勒法，示蹤法，相關(guān)法和空間濾波法等。多普勒測速WDoppler頻移定理作為固體 速度測量的基礎(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，測量精 度較高的優(yōu)點(diǎn)，但是對于惡劣工業(yè)環(huán)境下的復(fù)雜氣固兩相流動，存在安裝復(fù)雜，受測量工況 影響較大，且成本較高的缺點(diǎn);示蹤法的測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的時(shí)間來確定混合物的流速，此方法的原理簡單，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，也會導(dǎo)致嚴(yán)重的污染問題，且成本較高;相關(guān)法利用上下游隨機(jī)信 號的相似性實(shí)現(xiàn)速度測量，具有測量范圍寬，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)對不同對象的測量，但測量時(shí)要求流動穩(wěn)定，固相彌散度盡可能均勻，并且計(jì)算量較 大，不適于速度場的獲取;空間濾波法作為一種光學(xué)測速方法是上個(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)的測量，具有適用范圍廣，使用靈活的突出優(yōu)點(diǎn)，但是其測量精度容易受到 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，流動過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)動的顆粒形成了靜電噪聲信號。靜電噪聲信號包含了大量的顆粒流動參數(shù)信 息，對其加W適當(dāng)?shù)男畔⑻幚矸椒?，即可獲得兩相流流動參數(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，其具有結(jié)構(gòu)簡單，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層析成像方法，解決了 現(xiàn)有的靜電傳感器測速精度低的問題。
[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，獲取動態(tài)靈敏場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管道內(nèi)帶電顆粒流動所產(chǎn)生的 靜電信號；
[0008] 步驟3:調(diào)理電路將靜電信號轉(zhuǎn)換為-5V-巧V的交流電壓信號，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P;
[0010] 步驟5:根據(jù)速度頻率場巧P比例因子K得至幡度場V。
[0011] 本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：
[001 ^ 步驟巧體為：
[0013] 動態(tài)靈敏場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每個(gè)像素單元Im/s時(shí)的動態(tài)靈敏 度Dij，然后對化j進(jìn)行FFT變化，電極的序號i = 1，2，3-'H，H為電極的個(gè)數(shù)，像素單元的序號j =1，2，3-M，依次獲取第i個(gè)電極對第j個(gè)像素單元的峰值頻率f U，最終建立陣列式靜電傳 感器的動態(tài)靈敏場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)動時(shí)每個(gè)電極上的動態(tài)靈敏度Di，i = 1，2，3…H，然后對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P的獲取方法為：
[0022] 計(jì)算機(jī)對采集到的陣列式靜電傳感器每個(gè)電極上的靜電信號進(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，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為動態(tài)靈敏場S的轉(zhuǎn)置，F(xiàn)是Fi的集 合，是HXl矩陣。
[0028] 步驟5中速度場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 測速的簡單，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)將測量對象進(jìn) 行像素單元細(xì)分，通過建立不同像素單元的空間濾波靈敏度(動態(tài)靈敏場），從而克服現(xiàn)有 靜電傳感器空間濾波測速受管內(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 觀的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)流動截面速度場參數(shù)的在線測量。本發(fā)明同現(xiàn)有的靜電傳感器測速方法 相比，計(jì)算效率更高，速度更快，精度更高。
【附圖說明】
[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量系統(tǒng)圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明中信號調(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】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0037] 實(shí)施本發(fā)明的基于陣列式靜電傳感器的速度場層析成像方法時(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)非接觸式測量，也可W將電極4 鑲嵌在管道內(nèi)壁，即通過在金屬管道內(nèi)壁開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)非接觸式測量。實(shí)現(xiàn)速度場層析成像時(shí)均為陣列式靜電傳感器獲取 靜電信號后，經(jīng)信號調(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 V，并通過IW圖形的形式直觀的顯示。
[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量系統(tǒng)圖如圖2所示，包括在圓形絕緣管道3中通過法蘭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通過同軸屏蔽電纜7與信號調(diào)理電路8連接，信號調(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)帶電顆粒的流動信息捕獲后，經(jīng)同軸屏蔽電纜7傳送到信號調(diào)理 電路8,經(jīng)電壓跟隨和放大后轉(zhuǎn)換為-5-+5V的電壓信號送數(shù)據(jù)采集卡9,經(jīng)過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完成速度場信息的反演計(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，獲取動態(tài)靈敏場S和比例因子矩 陣K，具體為：
[0041] 動態(tài)靈敏場S的獲取
[0042] 將陣列式靜電傳感器檢測區(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對每個(gè)像素單元Im/s時(shí)的動態(tài)靈敏度Du,然后對Du進(jìn)行FFT變化，電極4 的序號i = l，2,3-H，H為電極4的個(gè)數(shù)，像素單元的序號j = l，2,3-M，依次獲取第i個(gè)電極4 對第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態(tài)靈敏場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)動時(shí)每個(gè)電極上的動態(tài)靈敏度Di，i = 1，2，3…H，然后對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的不同角度檢測管道3內(nèi)帶電顆粒流動所產(chǎn)生 的靜電信號；
[0050] 步驟3:調(diào)理電路則尋靜電信號轉(zhuǎn)換為-5V-巧V的交流電壓信號，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P，具體為：
[0052] 計(jì)算機(jī)1對采集到的陣列式靜電傳感器每個(gè)電極4上的靜電信號進(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，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為動態(tài)靈敏場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P和比例因子K得到速度場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速的簡單，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)將測量對象進(jìn)行像素單元細(xì)分，通過建 立不同像素單元的空間濾波靈敏度(動態(tài)靈敏場），從而克服現(xiàn)有靜電傳感器空間濾波測速 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)快速直觀的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)流動截 面速度場參數(shù)的在線測量。本發(fā)明同現(xiàn)有的靜電傳感器測速方法相比，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)在線測量速度場參數(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，獲取動態(tài)靈敏場S和比例因子矩陣K; 步驟2:陣列式靜電傳感器從管道(3)的不同角度檢測管道(3)內(nèi)帶電顆粒流動所產(chǎn)生 的靜電信號； 步驟3:調(diào)理電路(8)將靜電信號轉(zhuǎn)換為-5V-+5V的交流電壓信號，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P; 步驟5:根據(jù)速度頻率場P和比例因子K得到速度場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層析成像方法，其特征 在于，所述步驟1具體為： 動態(tài)靈敏場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)對每個(gè)像素單元lm/s時(shí)的動態(tài)靈敏 度Dij，然后對D ij進(jìn)行FFT變化，電極⑷的序號i = 1，2，3…H，H為電極⑷的個(gè)數(shù)，像素單元 的序號」= 1，2,3···Μ，依次獲取第i個(gè)電極(4)對第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態(tài)靈敏場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)動時(shí)每個(gè)電極上的動態(tài)靈敏度Di，i = 1，2，3···Η，然后對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層析成像方法，其特征 在于，所述步驟4速度頻率場P的獲取方法為： 計(jì)算機(jī)(1)對采集到的陣列式靜電傳感器每個(gè)電極(4)上的靜電信號進(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，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為動態(tài)靈敏場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層析成像方法，其特征 在于，所述步驟5中速度場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】G01P5/08GK106018872SQ201610311039
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】高鶴明
【申請人】西安理工大學(xué)