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帶電顆粒流動所產生的靜電信號；步驟3：調理電路將靜電信號轉換為?5V?+5V的交流電壓信號，然后經數據采集卡傳輸到計算機進行處理；步驟4：獲取速度頻率場P；步驟5：根據速度頻率場P和比例因子K得到速度場V。本發明一種基于陣列式靜電傳感器的速度場層析成像方法，同現有的靜電傳感器測速方法相比，計算效率更高，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
技術領域
[0001] 本發明屬于氣固兩相流測量技術領域，具體設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】
[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，其無論 是實現流動過程的在線監測，還是建立氣固兩相流動的數學模型都具有重要意義。目前，基 于不同的測量原理，人們已經研究和開發了多種實現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，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 度較高的優點，但是對于惡劣工業環境下的復雜氣固兩相流動，存在安裝復雜，受測量工況 影響較大，且成本較高的缺點;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 從下游示蹤物的采樣或檢測的時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，具有不需要校準的優點而且裝置安裝方便，但即使放射源采用具有較短 半衰期的放射性同位素，也會導致嚴重的污染問題，且成本較高;相關法利用上下游隨機信 號的相似性實現速度測量，具有測量范圍寬，適應性強的優點，只需選擇合適的傳感器便可 W實現對不同對象的測量，但測量時要求流動穩定，固相彌散度盡可能均勻，并且計算量較 大，不適于速度場的獲取;空間濾波法作為一種光學測速方法是上個世紀六十年代由Ator 教授提出的，目前已延伸到其他傳感器空間濾波效應上，其利用傳感器的空間頻率響應特 性實現速度參數的測量，具有適用范圍廣，使用靈活的突出優點，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都可能使顆粒產生自然荷電現 象，從而使運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信 息，對其加W適當的信息處理方法，即可獲得兩相流流動參數(速度、濃度、流量等）。靜電傳 感器能夠有效地捕捉到運些靜電噪聲信號，其具有結構簡單，靈敏度高，適應各種工業環境 等多種優點。
【發明內容】
[0004] 本發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 現有的靜電傳感器測速精度低的問題。
[0005] 本發明所采用的技術方案是，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帶電顆粒流動所產生的 靜電信號；
[0008] 步驟3:調理電路將靜電信號轉換為-5V-巧V的交流電壓信號，然后經數據采集卡 傳輸到計算機進行處理；
[0009] 步驟4:獲取速度頻率場P;
[0010] 步驟5:根據速度頻率場巧P比例因子K得至幡度場V。
[0011] 本發明的特點還在于：
[001 ^ 步驟巧體為：
[0013] 動態靈敏場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域的截面劃分 為M個像素單元，并依次計算陣列式靜電傳感器各電極對每個像素單元Im/s時的動態靈敏 度Dij，然后對化j進行FFT變化，電極的序號i = 1，2，3-'H，H為電極的個數，像素單元的序號j =1，2，3-M，依次獲取第i個電極對第j個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，設定所有像素單元存在單位電荷，計算當所有像素單元上的電 荷W單位速度Im/s運動時每個電極上的動態靈敏度Di，i = 1，2，3…H，然后對Di進行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的轉置。
[0021 ]步驟4速度頻率場P的獲取方法為：
[0022] 計算機對采集到的陣列式靜電傳感器每個電極上的靜電信號進行功率譜分析，根 據每個電極的功率譜分析結果計算每個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 電極的個數，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； 2 采用LBP算法計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，ST為動態靈敏場S的轉置，F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，每個元素代表一個像素單元的速度。
[0031] 本發明的有益效果是：本發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相結合，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，高適用性等優點，結合已有的層析成像技術將測量對象進 行像素單元細分，通過建立不同像素單元的空間濾波靈敏度(動態靈敏場），從而克服現有 靜電傳感器空間濾波測速受管內顆粒分布影響較大的缺點，同時發揮層析成像技術快速直 觀的優點實現整個流動截面速度場參數的在線測量。本發明同現有的靜電傳感器測速方法 相比，計算效率更高，速度更快，精度更高。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發明中采用的陣列式靜電傳感器的俯視圖；
[0033] 圖2是本發明中基于陣列式靜電傳感器的氣固兩相流測量系統圖；
[0034] 圖3是本發明中信號調理電路的電路圖。
[0035] 圖中，1.計算機，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.信號調理電路，9.數據采集卡。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0037] 實施本發明的基于陣列式靜電傳感器的速度場層析成像方法時的陣列式靜電傳 感器的形式多樣，可W將電極4布置在絕緣管道3外表面實現非接觸式測量，也可W將電極4 鑲嵌在管道內壁，即通過在金屬管道內壁開槽鋪墊絕緣層將電極4嵌入的方式，使得電極4 與管道內壁平齊，實現非接觸式測量。實現速度場層析成像時均為陣列式靜電傳感器獲取 靜電信號后，經信號調理電路8和數據采集卡9進入計算機1，在計算機1內計算得到速度場 V，并通過IW圖形的形式直觀的顯示。
[0038] 本發明中具體實施時采用的陣列式靜電傳感器的結構如圖1、基于陣列式靜電傳 感器的氣固兩相流測量系統圖如圖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的兩側均設置有環狀接地電極5,電極4的外部設置有外屏蔽層6,將 陣列電極4和接地電極5通過同軸屏蔽電纜7與信號調理電路8連接，信號調理電路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算發大器的輸入電容組 成；圖3(b)是電壓跟隨放大電路，信號調理電路8依次與數據采集卡9、計算機1連接，陣列式 靜電傳感器將絕緣管道3內帶電顆粒的流動信息捕獲后，經同軸屏蔽電纜7傳送到信號調理 電路8,經電壓跟隨和放大后轉換為-5-+5V的電壓信號送數據采集卡9,經過A/D轉換后送入 計算機1，計算機1利用采集到的靜電信號完成速度場信息的反演計算。
[0039] 本發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，獲取動態靈敏場S和比例因子矩 陣K，具體為：
[0041] 動態靈敏場S的獲取
[0042] 將陣列式靜電傳感器檢測區域的截面劃分為M個像素單元，并依次計算陣列式靜 電傳感器各電極4對每個像素單元Im/s時的動態靈敏度Du,然后對Du進行FFT變化，電極4 的序號i = l，2,3-H，H為電極4的個數，像素單元的序號j = l，2,3-M，依次獲取第i個電極4 對第j個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，設定所有像素單元存在單位電荷，計算當所有像素單元上的電 荷W單位速度Im/s運動時每個電極上的動態靈敏度Di，i = 1，2，3…H，然后對Di進行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內帶電顆粒流動所產生 的靜電信號；
[0050] 步驟3:調理電路則尋靜電信號轉換為-5V-巧V的交流電壓信號，然后經數據采集卡 9傳輸到計算機1進行處理；
[0051 ]步驟4:獲取速度頻率場P，具體為：
[0052] 計算機1對采集到的陣列式靜電傳感器每個電極4上的靜電信號進行功率譜分析， 根據每個電極4的功率譜分析結果計算每個電極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的個數，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；
[0055] 采用LBP算法計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，ST為動態靈敏場S的轉置，F是Fi的集 合，是HXl矩陣。
[005引步驟5:根據速度頻率場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，每個元素代表一個像素單元的速度。
[0061] 本發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相結合，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，高適用性等優點，結合已有的層析成像技術將測量對象進行像素單元細分，通過建 立不同像素單元的空間濾波靈敏度(動態靈敏場），從而克服現有靜電傳感器空間濾波測速 受管內顆粒分布影響較大的缺點，同時發揮層析成像技術快速直觀的優點實現整個流動截 面速度場參數的在線測量。本發明同現有的靜電傳感器測速方法相比，具有計算效率更高， 速度更快，精度更高的優點，為實現實時在線測量速度場參數提供了全新的手段。
【主權項】
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)內帶電顆粒流動所產生 的靜電信號； 步驟3:調理電路(8)將靜電信號轉換為-5V-+5V的交流電壓信號，然后經數據采集卡 (9)傳輸到計算機(1)進行處理； 步驟4:獲取速度頻率場P; 步驟5:根據速度頻率場P和比例因子K得到速度場V。2. 根據權利要求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域的截面劃分為 M個像素單元，并依次計算陣列式靜電傳感器各電極(4)對每個像素單元lm/s時的動態靈敏 度Dij，然后對D ij進行FFT變化，電極⑷的序號i = 1，2，3…H，H為電極⑷的個數，像素單元 的序號」= 1，2,3···Μ，依次獲取第i個電極(4)對第j個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，設定所有像素單元存在單位電荷，計算當所有像素單元上的電荷以 單位速度lm/s運動時每個電極上的動態靈敏度Di，i = 1，2，3···Η，然后對Di進行FFT變換，從 而獲取不同電極上的峰值頻率f m，用矩陣FU表示各個電極峰值頻率f m的集合，FU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的轉置。3. 根據權利要求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： 計算機(1)對采集到的陣列式靜電傳感器每個電極(4)上的靜電信號進行功率譜分析， 根據每個電極(4)的功率譜分析結果計算每個電極(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)的個數，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； 采用LBP算法計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，St為動態靈敏場S的轉置，？是巧的集合，是 HXl矩陣。4.根據權利要求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，每個元素代表一個像素單元的速度。
【文檔編號】G01P5/08GK106018872SQ201610311039
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】高鶴明
【申請人】西安理工大學