（测试计量技术及仪器专业论文）信息处理技术在气固两相流检测中的应用.pdf

摘要 气固两相流在多相流体系中普遍存在，例如，自然界的大漠扬沙，化工、冶 金、能源和粮食等领域的燃料配送，散装物料( 如沙子、谷物、塑料粒) 的气力 输送和粉尘处理等，硫化床、旋风除尘、沉降室及过滤过程中也会涉及到气固两 相流。由于气固两相流动规律比单相流动的流动特性更复杂，且各相间的界面效 应等原因，致使对两相流动过程参数( 如流态、浓度、流量和粒径等) 的检测难 度很大。然而，要认清气固两相流体系的复杂现象，以及对工业过程进行预测、 设计和控制，就必须解决气固两相流的检测问题。目前，许多发达国家如英国、 美国、德国、日本、挪威、澳大利亚等均对此进行了大量的研究工作。我国在八 五、九五科研规划以及8 6 3 高科技计划中也都给予了高度重视，相应的两相流测 试技术也有了很大的进步，但其发展水平还未很好满足工业应用的要求。因此， 气固两相流检测技术尚属一个急待发展的研究领域。 本文在课题研究小组近年来取得的研究成果基础上，进一步将信息处理技术 引用到气固两相流参数检测中。文中主要应用神经网络和数据融合这两种方法分 别进行气固两相流流型的辨识及固相颗粒流速的检测，并进行了仿真研究。主要 工作内容包括： 1 总结和整理了课题小组前期研究工作所取得的成果。 2 阅读国内外有关参考文献，在分析研究神经网络的功能及特点的基础上， 选取学习向量量化神经网络作为气固两相流流型辨识的手段，并进行了仿 真研究。 3 应用数据融合技术及互相关测速技术进行固相颗粒截面平均速度的检测， 包括单一传感器数据的互相关分析，以及对所有传感器的数据进行融合处 理，再对其进行相关分析。 关键词：气固两相流；光学层析成像；神经网络；流型辨识；数据融合 互相关分析；流速 ! 童三些奎兰三耋堡圭兰堡鎏塞 a b s t r a c t g a s s o l i d t w o p h a s e f l o wi se x i s t e d w i d e l y i n m u l t i p h a s ef l o ws y s t e m ，f o r e x a m p l e ，d e s e r ts a n d i nn a t u r e ，f u e l t r a n s p o r t a t i o ni n f i e l do fc h e m i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g y , e n e r g ys o u l c e sa n df o o d s t u f f , a n ds oo n ，a sw e l la sp n e u m a t i cc o n v e y i n g a n dd u s tt r e a t m e n to fm a t e r i e li nb u l k ( i e s a n d s ，c o r na n dp l a s t i cg r a n u l ae t c ) i n a d d i t i o n ，s u l f u r e t e db e d ，w h i r l w i n dd u s t - e x h a u s t i o n ，s e d i m e n t a t i o nr o o ma n df i l t r a t i o n p r o c e s s a r ei n v o l v e dw i t hg a s s o l i dt w o p h a s ef l o w i ti sv e r yd i f f i c u l tt om e a s u r e s o m ep r o c e s sp a r a m e t e r sd u r i n gt w o p h a s ef l o w i n g ，s u c ha sf l o ws t a t u s ，c o n c e n t r a t i o n ， f l u x ，p a r t i c l es i z ea n ds of o r t h ，b e c a u s et h ef l o w i n g r u l e so f g a s s o l i dt w o - p h a s ef l o w i sm o r ec o m p l e xt h a nt h a to fs i n g l e - p h a s ef l o w , t o g e t h e rw i t hi n t e r p h a s ee f f e c t b e t w e e ne v e r yp h a s e h o w e v e r , t ok n o ww e l lc o m p l e xp h e n o m e n ai n g a s s o l i d t w o p h a s ef l o ws y s t e m ，t op r e d i c t ，d e s i g n a n dc o n t r o li n d u s t r i a lp r o c e s s ，i ti sn e c e s s a r y t os o l v et h ed i f f i c u l t i e si nm e a s u r e m e n to f g a s s o l i dt w o - p h a s ef l o w a tp r e s e n t ，m a n y d e v e l o p e d c o u n t r i e ss u c ha se n g l a n d ，a m e r i c a ，g e r m a n y , j a p a n ，n o r w a ya n da u s t r a l i a a r ea l ld e v o t e dt oc o r r e l a t i v er e s e a r c h o u rc o u n t r y , c h i n a ，i sa l s op a ym u c ha t t e n t i o n t oi ti nt h ee i g h t hf i v e - y e a rs c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o g r a m m i n g ，t h en i n t hf i v e y e a r p r o g r a m m i n ga n d 8 6 3 h i g h - t e c hp l a n a n dt h e m e a s u r et e c h n o l o g yo ft w o 。p h a s e f l o wh a sa c h i e v e dg r e a td e v e l o p m e n t ，b u ti t sl e v e ls t i l ld o e s n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s o fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ot h em e a s u r et e c h n o l o g yo fg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o wy e t b e l o n g s t ot h er e s e a r c hf i e l du r g e n t l yw a i t i n gf o rd e v e l o p i n g b a s e do nt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so b t a i n e db yo u rt a s kt e a mr e c e n t l y , t h i s d i s s e r t a t i o nf u r t h e r e m p l o y e d i n f o r m a t i o n p r o c e s st e c h n o l o g y i n t o p a r a m e t e r m e a s u r e m e n to fg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o w , w h e r et h en e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g yw a s u s e dt or e c o g n i z et h ef l o wr e g i m ea n dt h ed a t af u s i o nt e c h n o l o g yt om e a s u r e t h ef l o w v e l o c i t yo fs o l i d p h a s ep a r t i c l e s ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s e a r c hw a s w o r k e d t h em a i n w o r ki sd e s c r i b e da sf o l l o w ： 1 s u m m a r i z i n ga n da r r a n g i n g t h ea c h i e v e m e n t so b t a i n e db yt h et a s kt e a mb e f o r e i i a b s 廿a c t 2 c o l l e c t i n ga n dr e a d i n gt h ec o r r e l a t i v er e f e r e n c ed o c u m e n t s a l lo v e rt h ew o r l d ； b a s e do n a n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so fn e u r a ln e t w o r k ，e m p l o y i n g t h el e a r n i n gv e c t o rq u a n t i f i c a t i o nn e u r a ln e t w o r kt or e c o g n i z et h ef l o wr e g i m eo f g a s s o l i dt w o p h a s ef l o w , a n dc a r r y i n g o u ts i m u l a t i o nr e s e a r c h 3 c o m b i n i n gt h ed a t af u s i o nt e c h n o l o g yw i t ht h e ( ：；r o s s - c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g y f o rm e a s u r i n g v e l o c i t yt om e a s u r e t h em e a nv e l o c i t yo f s o l i d p h a s ep a r t i c l e si ns e c t i o n ， i n c l u d i n g t h ec r o s s c o r r e l a t i o na n a l y s i so fd a t af r o me v e r ys e n s o ra n d t h a to fd a t af r o m a l ls e n s o r sa f t e rp r o c e s s e db yf u s i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：g a s s o l i dt w o p h a s ef l o w ；o p t i c a lt o m o g r a p h y ；n e u r a ln e t w o r k ； f l o w r e g i m er e c o g n i t i o n ；d a t af u s i o n ；c r o s s c o r r e l a t i o na n a l y s i s ； f l o w v e l o c i t y i l l 1 1 引言 第一章绪论 总结多相流的历史，大致可分为三个阶段。第一阶段是现象存在阶段，即自 然界中存在的风沙、泥石流等多相流现象，人们可以经常观察到，但却无法去研 究它们。第二阶段是工程应用与工程研究阶段。随着生产的发展产生了一些新的 设备与新的工艺，例如粮食、水泥、煤粉、化学原料等的气力输送工艺，这些开 创了管道气固两相流动的新课题。石油、冶金、造船等工业也提出了大量有关多 相流的问题，人们开始用一些实验方法，在经典流体力学和空气动力学理论基础 上进行了现象观察和研究，并试图给出一些解决问题的粗浅方法。第三阶段是多 相流分支学科开始形成，并得到发展的阶段。多相流动原理的应用一直可追溯到 公元前a r c h i m e d e s 的蒸汽炮利用【l 】。但它作为一门新兴学科，主要是近三十年内 建立并发展起来的。随着工农业生产现代化、新兴工业的诞生和国防现代化，涉 及到多相流的问题愈来愈广泛，如航空和宇航中高效大推力火箭发动机提出了气 固两相流喷管流动问题；化工行业生产新型材料的硫化床中存在气固两相流复杂 问题；原子能发电、大型汽轮机以及等离子体发电技术有关管道和叶片中的汽液、 气固两相流流动问题等1 【2 1 3 】。 可以看出，多相流研究发展的特点在于它与工业生产发展的紧密联系；它的 研究成果有利于发展新材料，新技术，以及创造新设备和形成新工艺。这种与明 显生产进步和巨大经济效益相联系的效果是多相流研究的巨大推动力。此外，多 相流发展的另一有利条件是：计算机技术的进步，以及近年来在实验领域里发展 起来的激光、高速摄影、光导纤维、射线和各种非接触测量技术，都为发展多相 流的测量手段提供了技术基础。 在各种多相流动体系中，气固两相流最为常见，也是重要的多相流形式之一。 如自然界中存在的大气尘埃流、风沙现象；工程应用与工程研究中的粉料气力输 送、煤粉燃烧、石油的催化裂化和烟尘排放等都属于气圃两相流的范畴。由于气 固两相流中存在界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上都是随机可变的， 广东工业大学工学硕士学位论文 致使其流动特性极其复杂。但要认清现象、获得概念、建立模型并进行过程的预 测、设计和控制，首先要解决的就是多相流参数的检测问题。i i 前，有关检测技 术己成为气固两相流研究中的一个制约因素。为此国内外研究学者都做了大量工 作，但有关检测技术和方法大都还处于实验室研究阶段，已商品化的工业测量仪 表为数还很少，该领域尚属一个亟待发展的探索研究领域【4 1 。 1 2 气固两相流 所谓“相”在不同学科中具有不同的含义。在物理学或热力学中，“相”是指 自然界物质中的态。例如气态、液态、固态等，一种物态称为一相。但在流体力 学意义上讲，动力学性质相近的一群物质就可以称为一相。一种物态可能是单相 的，也可能是多相的，例如不同种类、不同尺寸、不同形状的固体颗粒在流体中 存在时，可以视具体情况把固态分成许多相，所以我们所要讨论的相比物理学中 的相具有更广泛的意义“1 。在经典流体力学中，通常假定流场中的固态物体为刚 体。可是在自然界和人类生产生活中要处理的往往是不同状态物质混合物的流动 问题，而不能把固态物质视成刚体，一般称这种流动系统为多相流系统。更具体 点说，多相流系统是指任意流场的状态要用一组以上力学的、热力学的参数来描 述，且需要考虑相间力学关系的流动体系。如在气和固的混合流动中，需要用两 组参数来分别描述气和固的流动状态，那么这种流动体系就是气固两相流体系， 简称为气固两相流2 【3 】【4 1 。 1 2 1 气固两相流的特点 与单相流相比，气固两相流的特性及其数学描述要复杂的多，概括起来，大 致有如下主要特点： 1 流型复杂多变 在单相流中有层流和紊流之分，而在气固两相流中，除此之外，根据相间的 相对位置、相对含量、相对速度和相对温度还要分为各种流动型态( 流型) 。流型 随物性( 如重度、粘度、表面张力、传热系统等) 、流动条件、物形及边界条件、 热负荷及压力等的不同而发生变化。而且同一流场中很可能同时存在几种流型， 这就给流动分析带来很大困难。 2 第一苹绪论 2 相间相互作用强 单相流不存在相间的相互作用，但在气固两相流中，不仅有两相问的相互作 用，而且固体颗粒之间也存在着相互作用。由于这种相互作用与流型、物性等密 切相关，所以很难建立起某种一成不变的关系式，这无疑又给两相流动的研究增 加了困难。 3 物性变化临界值降低 单相流是单成份的，通常物性变化小。而在两相流中，其物性将随容积比、 重度比、温度等的变化而变化，所以两相流中必须定义更多的物性参数，如密度 就需定义各相的真密度、分密度和两相流密度。特别是固相容积率从无到增加一 点而形成气固两相流时，将引起临界量的急剧变化，如声速的下降。 4 数学描述难度大 在两相流中，相间摩擦、传热、传质、化学反应等都发生在微元体内部，相 互作用强烈，因此描述这种现象的守恒方程( 质量、动量、能量和组份方程) 、辅 助公式和定解条件，不仅数量多、形式复杂，而且方程组和非线性程度和耦合程 度都大为增加，这就对数值解法提出了新的问题和要求【l 】。 1 2 2 气固两相流检测的主要参数 在气固两相流中，由于两相间的相互作用，存在着一个形状和分布在时间和 空间里均是随机可变的相界面，而相间实际上又存在一个不可忽略的相对速度， 致使流经管道的分相流量比和分相所占管截面比并不相等。因此描述两相流动的 参数，除了描述单相流动参数( 如速度、流量等) 以外，还需增加一些新的参数， 常用主要参数如下【3 ： 1 流型 流型是指流体流动的形式或结构。由于两相间存在随机可变的相界面，致使 气固两相流流动形式多种多样，十分复杂。流型不但影响两相流动特性和传质、 传热性能，而且两相流各种参数的准确测量也往往依赖于对流型的了解。 2 速度 由于相间存在相对速度，所以除了以混合流体的平均速度描述外，还必须采 用分相流速来表示。为了便于工程应用，分相流速也常采用表观流速概念进行折 厂东工业大学工学硕士学位论文 算，即以分相流量除以管道总截面的比来表示该相的分相流速。其物理意义是当 管道中流动的全是该分相流体时，所具有的流速。两个分相流速可以用与平均流 速的差值表示相对速度；也可用两个分相流速之比表示速度滑移比。 3 流量 可用体积流量或质量流量来表示。对于各相流量可用分相体积流量、分相质 量流量描述；对于两相混合物的流量，可用平均体积流量和平均质量流量各种参 数来描述。 4 分相含率 在气固两相流中分相含率又称空隙度或含气率。测知分相含率就可求出各相 的分相含量。分相含率可以表示一段管流按容积、截面或弦的平均分相含率，也 可表示局部分相含率和瞬时分相含率。如果对局部分相含率的分布进行统计测量， 将可提供气固两相流中分散相浓度及其分布的数据，也可为判别流型提供定量的 依据。 5 浓度 在两相流中，混合物的浓度也是一个常用参数，可以由各相的浓度和分相含 率计算求得。 除此之外，颗粒的尺寸及分布、温度、传热系数、传质系数等也都是描述气 固两相流动的一些特征参数。从工程应用的角度，上述主要参数中流型、分相含 率和流量是三个最重要同时也是难以测量的参数之一。因此，这三个参数的测量 一直是多相流检测技术的研究重点之一。 1 3 气固两相流测量技术的现状与发展趋势 目前，国内外气固两相流检测所采用的技术路线大致可分为三大类2 】： 1 运用传统的单相流检测技术及仪表实现两相流测量。多年来，人们在将超 声波、电磁、科里奥力等多种单相流量计应用于气固两相流的测试中取得了较大 进展。将单相流检测用的传统光学、电学、热学等探头和传感器，经改造或重新 开发后也广泛应用于气固两相流测试系统。如用用光探头测量循环硫化床系统内 的颗粒浓度和颗粒速度；用电容探头测量燃烧器喷嘴密相喷煤粉系统的局部含气 率廓形：用电容探针测量磁流化床中局部空隙率；用单个或多个电导探针测量流 4 第一章绪论 型等。 2 以新的信号处理技术和现有检测手段相结合的软测量方法来解决气固两 相流测量问题。所谓软测量方法是利用较易在线测量的辅助过程变量和离线分析 信息提供主要过程参数的在线估计的方法。它主要将模糊数学、状态估计、过程 参数辨识、人工神经网络、小波变换、模式识别、近代谱估计等理论问题引入到 两相流参数测试领域中来，解决具有复杂性、不确定性、且很难用数学模型精确 描述的两相流测试问题。 随着计算机软件和硬件技术的迅速发展，用软测量技术来解决气固两相流测 量的报道和例子也越来越多。如用参数估计法测量两相流流速就可以有效克服用 流动噪声渡越时间估计法测量两相流流速随机误差大、分辨率较低、实时性较差 的缺点；应用人工神经网络技术进行气固两相流计量，测量固相颗粒尺寸分布， 测量气固两相流离散浓度以及流型辨识等：利用小波变换来进行流型辨识和测量 气固两相流相浓度。 3 采用近代新兴技术进行气固两相流参数测量。近几十年，人们已将近代许 多新兴技术如辐射线技术、激光技术、光纤技术、新型示踪技术、相关技术、过 程层析成像技术等应用于气固两相流参数测量。 例如：基于辐射线吸收或散射原理的y 一射线、b 一射线、x 一射线和中子 射线型商品化工业型仪表是气固两相流组份浓度测量的重要手段，其中以y 一射 线密度计应用最为广泛。激光相位多普勒技术能测量颗粒相速度、尺寸和流量。 利用脉冲激光全息摄影及再现技术可对气固两相流的三维空间的粒场分布、速度 场、加速度场以及颗粒轨迹进行分析研究。新示踪技术可用来测量气力输送的气 固两相流系统中的流速。相关技术在理论上可用来测量任何流体系统的流量，而 且测量流速的范围很宽，为解决两相流系统测试问题提供了一种强有力的技术手 段。过程层析成像技术是二十世纪8 0 年代中期正式形成和发展起来的，一种以两 相流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时检测技术。 它采用非侵入或非接触方式测量，能在线连续提供二维或三维的可视化信息，并 可经过进一步处理提取若干有关被测两相流体的特征参数，因此受到了国内外科 技工作者的普遍关注。 广东工业大学工学硕士学位论文 综上所述，根据目前两相流参数测量的研究现状，其发展趋势和研究方向可 归纳如下【2 】【3 】【5 】： 1 将成熟单相流检测技术应用于两相流参数测量仍是重要的研究方向之一。 2 借助近代各种新兴技术( 激光技术、光纤技术、核磁共振技术、微波技术、 新型示踪技术、光谱技术、全息技术、相关技术等) 的发展，研制出高灵敏度、 高准确度和高可靠性的两相流参数检测用传感器和仪表。 3 应用数理统计、参数估计、过程辨识、谱分析、小波变换、人工神经网络、 混沌与分形等理论和技术，进行两相流参数估计的软测量方法将成为重要的发展 趋势。 4 随着计算机技术、集成电路和数字图像处理技术的发展，应用过程层析成 像技术，采用非侵入、非接触测量方法，来在线连续获取两相流的二维或三维可 视化空间分布信息，经过进一步处理提取有关被测两相流体的特征参数，提高对 生产过程信息获取、分相和检测的能力，这也是一个重要的发展和研究方向。 5 对两相流动过程中参数测量系统的建模、特征参数选取，对时变性的自适 应功能和动态跟踪能力等的基础理论研究以及两相流参数校验标定手段和误差分 析等的基础方法研究也正逐步受到关注。 1 4 本文的主要研究内容、意义和创新点 1 4 1 课题来源与研究意义 本课题来源于国家自然科学基金项目“多相流多参数动态非接触集成测量新 机理与方法研究( 项目编号：5 9 9 7 5 0 1 9 ) ”。 在此国家基金的资助下，课题小组已经完成了光学层析成像技术的基本理论 研究、阵列式光学传感器及实验装置的研制、各种图像重建算法的研究以及颗粒 浓度测量等前期工作，并取得了较好成果。本课题在原工作基础上，进一步应用 信息处理技术来进行气固两相流的参数检测。 本课题在涉及气固两相流动的输运、反应等过程的监控、计量和工艺设计等 方面，具有较大的理论价值和工程应用前景。 6 1 4 2 主要研究内容 本论文主要研究了神经网络技术用于辨识气固两相管流截面的流型，以及结 合数据融合技术和互相关技术来实现气固两相流中固相流速的测量。 作者完成的主要工作如下： 1 在大量阅读国内外有关两相流参数检测的文献，并进行分析、整理和消化 有关测量技术的基础上，提出采用神经网络技术来辨识气固两相管流截面的流型 状态，以及应用数据融合和互相关技术来进行流速测量。 其中，2 0 0 3 年3 月在华中科技大学控制科学与工程系调研。对该系的热式复 合传感器及其结合信息融合技术用于气固质量流量检测的实验系统进行了调查研 究，与该课题负责人李昌禧教授进行了技术咨询与探讨，并于2 0 0 3 年4 月参与设 计研制出气固两相流( 垂直管段) 模拟实验装置。2 0 0 3 年1 0 月，参加了在北京 航空航天大学举行的第五界仪器仪表及控制技术国际会议。会上，代表导师宣读 了两篇入选论文，同与会者进行了交流与讨论，并参加了到会的国内外专家做的 精彩的学术报告，开阔了视野，活跃了思维。 2 分析研究了神经网络的功能和特点，在方案比较的基础上，选取学习向量 量化神经网络来对被测物场进行流型识别，并进行了仿真研究。 3 应用数据融合和互相关技术进行颗粒流速测量的研究，在仿真的基础上， 得出了一些有指导意义的结论。 1 4 3 创新点 1 提出了利用学习向量量化神经网络对气固两相流进行流型辨识的新方法。 2 提出了运用数据融合和互相关技术来获取流动颗粒的平均速度的方法。 7 ：蛮三些查兰三兰璧圭兰堡篁兰 2 1 引言 第二章光学传感过程层析成像技术 过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称p t ) 技术也称为流动成像( f l o w i m a g i n g ) 技术，是二十世纪八十年代中后期开始正式形成和发展起来的。它以计 算机层析( 断层) 成像( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y , 简称c t ) 技术为基础，以两 相流或多相流为主要研究对象，能在线实时检测过程参数二维或三维的分布状况。 这种技术的实现思想是：采用特殊设计的传感器空间阵列，从多个不同角度获取 被测对象的信息，然后将这些信息送入计算机，再采用数据处理方法，重建出该 对象的一个横断面图像，从而为过程可视化、流型辨识、参数测量、验证数学模 型和控制等提供有价值的信息。目前已经使用和正在研究的工业层析系统主要有 电容层析成像、光学层析成像和超声层析成像等。其中，光学p t 技术除具有非 侵入性、系统结构简单等特点外，在图像的空间分辨率和图像质量等方面相对于 其它技术也有着独特的优势。 2 2 光学p t 技术 2 2 1 光学p t 技术的发展现状 光学层析成像( o p t i c a lt o m o g r a p h y ，o t ) 技术，也称为光学c t 技术，是最 近几年才发展起来的一门新技术，这主要是因为人们对生物活组织和工业过程监 测与控制( 如二相流场、内燃机燃烧状况、大气污染和烟尘排放监测等) 研究领 域有了越来越多的兴趣( 6 ，7 1 。o t 光源为可见光、红外和近红外范围( 6 0 0 1 3 0 0 n m ) ， 利用物质对光的调制作用( 如散射、衍射、干涉和吸收等现象) 和c t 反演算法 来探测介质的光学特性及分布。光学c t 在医学临床诊断中的研究较为活跃，例如 光学相干层析成像( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g m p h y ，简称o c t ) 可探测生物浅层 第二章光学传感过程层析成像技术 组织( 如皮肤、大脑和胃肠等) 【8 ，9 1 。不过，o c t 的纵向和横向分辨率有限，一般 仅能探测2 0 3 0 毫米的组织厚度，不适用一般工业过程。目前，工业领域的光学 c t 尚不多见。 在国外，1 9 9 9 年，l z e n i 和r b e m i n i 等人使用红外线波长和c t 法研究了半 导体晶片的杂质注入和扩散过程 1 0 , 1 1 ； 1 9 9 8 年，马来西亚科技大学电机工程系 的s 1 b r a h i m 、r u z a i r i a b d u lr a h i m 、和英国s h e f f i e l dh a l l a m 大学工程学院的 r g g r e e n 等人使用卤素灯光源，用光纤导入物料输送管，应用c t 法对管道内干 燥粉末的浓度分布进行了测量研究 1 2 , 1 3 1 ；1 9 9 9 年，他们又用排布成4 5 。角的四组 共3 8 个带透镜的光纤传感器在线监视水压管内气液两相流的浓度和速度分布图， 并提出了用象素互相关的方法求相流速问题【1 4 。1 9 9 9 年，美国空军研究实验室的 l m c m a c k i n 等人用半导体激光器和c c d 摄像头组成光学传感器( 如图2 - 1 ) ，研 究了喷气机模型的气流过程，并首次用迭代法作为光学层析成像图像重建的算法 【1 5 】；c h a n g f uw u 等人用n 0 2 点源所扩散的气体模拟大气污染，用快速傅立叶变 换红外频谱仪收集路径积分的浓度数据，并用c t 法重建浓度分布图像。2 0 0 0 年， s j c a r e y 等人利用近红外吸收c t 技术( 双波长1 7 0 0 h m 和1 5 5 0 n m ) ，检测了内 燃机燃烧室中的气态碳氢化合物的浓度分布【l6 】；另外，u m i s t 的电机工程和电子 学系的k r i k o rb o z a n y a n 教授现也用四方向的近红外激光( 如图2 2 ) 的透射法 和荧光层析成像，研究内燃机汽缸内气态烃类分布情况和化学工程中的化学物类 的分布鉴定 1 7 , 1 8 ，并提出了光学传感在该项技术上的优势和特点。 图2 1 美国空军研究实验室的光学p t 传感器 f i g 2 1s e n s o r si no t r e s e a r c h e di na i r f o r c e r e s e a r c hl a b o m t o r y 图2 2 英国u m i s t 大学的荧光p t 传感器 f i g 2 2s e n s o r si no p t i c a lf l u o r e s c e n c e t o m o g r a p h yr e s e a r c h e di nu m i s t 广东工业大学工学硕士学位论文 在国内，2 0 0 0 年，清华大学光纤传感实验室利用六个l e d 弧形排列的光源 和c c d 拍摄方法，对自由下落的细沙进行浓度测量，得到光强衰减率与颗粒浓 度的关系曲线1 9 】。2 0 0 0 年至今，广东工业大学在国家自然科学基金的资助下，开 展了以半导体激光器和光电二极管作为光学传感器的层析成像技术研究，取得了 良好进展。 2 2 2 光学p t 技术的特点与应用领域 不同的p t 技术所利用的检测原理不同，因此具有不同的特点和不尽相同的适 用范围。光学p t 技术无创伤、无侵入，不受工作环境的温度、压力和流体的粘 性等影响，且动态反应快，图像分辨率较高，安全特性好，系统结构简单；同时， 其所用光源为可见光或近红外光，无放射性 2 0 , 2 1 。在工业领域，光学p t 适用于检 测低浓度的气固两相流场、气态化学组份、透明或半透明物质及各种材料( 如电 介质或绝缘体) 等被1 钡4 对象【”l 。 2 3 光学p t 系统基本结构 光学p t 系统的基本构成如图2 3 所示。由传感器系统( 包括光学阵列式敏感 部件及信号处理电路等) 、图像重建、特征提取等几个部分组成。 图2 - 3 光学p t 系统基本结构框图 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo f o p t i c a l p t s y s t e m 1 0 第二章光学传感过程层析成像技术 传感器系统是光学p t 系统的关键部件，其目的是为了获取反映多相流体相 分布信息的投影数据，其敏感部件( 包括光源和探测器) 是安置在测量管段周围， 可对管截面上不同区域进行扫描测量的光学传感器阵列。信号预处理电路主要担 负数据采集、滤波、a d 转换、控制发射和接收等任务。图像重建是光学p t 系 统的另一个关键所在，它是根据r a d o n 逆变换原理，利用扫描测量所得的有限数 据，实现由投影重建图像，获得反映被测多相流体各相组分分布的信息。特征提 取模块是根据图像重建后获得的关于多相流各相组分局部分布的原始信息，通过 相应的数学分析和信息处理，给出所需的各种检测参数值。 2 4 光学p t 系统的测量原理 2 4 1 光学测量原理 光学p t 技术是利用光线在媒质内传播过程中的衰减性质来获得某一方向( 或 角度) 介质分布的投影数据，并通过获取多个方向的投影数据来重构介质( 离散 相) 的二维分布图像。当一束准直的光线通过某种均匀介质时，光子被吸收或散 射，光线的强度将衰减，光束透射前后的强度之间的关系可表示为2 如： i = i o e 一9 7 ( 2 1 ) 其中，而为入射光束的强度，j 为穿过介质后光束的强度，为光通过媒质的 厚度，为介质衰减系数，不同的介质具有不同的衰减系数。 若物体是分段均匀的，各段的线性衰减系数分别为j ，m ，m ，相应的长 度为工j ，耽，x 3 ，则由式( 2 1 ) 有： 。t + ：x ：+ ，x ，+ = l n ( i o i ) ( 2 - 2 ) 更一般的，物体在x y 平面内的分布不均匀，即衰减系数可写成l , = g x , y ) ，则 这时沿某一路径三的光束强度衰减为： l n ( i o i ) = p ( x ，y ) d l ( 2 3 ) 广东工业大学工学硕士学位论文 2 4 2 投影测量与图像重建 2 4 2 1 投影定理 r a d o n 变换定理描述如下吲【2 4 】：设，为极坐标变量r 和毋的函数，在n 域上 连续有界，并满足当r e 时f ( r ，妒) = 0 ，假设，是平方可积的，即积分 f ：5f ：( 厂( ，) ) 2 趔，d 存在，定义r a d 。n 算子阿 ( ，护) 为： p ( 1 ，目) = 阿 ( f ，口) = ，( r ，妒) 凼 ( 2 4 ) 或 p ( ，秽) ： r f q ，p ) = 伫厂盯，口+ t a n 一1 ( s ，) k ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 称为函数，( r ，) 的r a d o n 变换式，l 面p ( 1 ，臼) 称为函数，( ，矽) 沿直线g 的投影，( ，秒) 称为雷登空间( 或坐标系) ，其中，表示物体空间p ，) 的坐标原 点到扫描光束的垂直距离，p 表示扫描光束的方向角，如图2 - 4 所示。 y fx ，们一 0 ) ，由人工设定。 因此，总的准则函数为 j = 口f r f + f 7 q 7 q f + ( 0 p w f42 0e l i2 ) ( 2 1 2 ) 令o j ( f ) ：0 ，得2 a l f + 2 q 7 q f 一2 2 w 7 ( p 一孵) = 0 ，因此图像估计值为 其中，矩阵w + 为 f = + p 1 4 ( 2 1 3 ) 第二章光学传感过程层析成像技术 w = f 矽7 w + r q 7 q + 1 3 1 r w 7 ( 2 1 4 ) 式中，y = 1 2 ，口= c t 2 ，i 为对角单位矩阵。因( 矿。+ a q 。q h 口) 1 是 正定非奇异阵，可求逆，因此阡* 可预先计算出来，这需要预先确定矩阵矿和q 。 其中，为二维分布变换为一维投影的线性算子，即权重系数矩阵。根据投影计 算式( 4 8 ) ，矩阵w 的元素w 睹定义为：第r 号投影射线与第k 号象元的相交长 度( 也可以取其它等效的加权方法) 。当传感器阵列的结构参数( 光源数目、环形 接收器数目、扇束张角) 及图像大小、位置确定之后，权值w r k 就可以预先计算 ( 或测量) 出来，且知矿是列满秩的，因为扇形光束所穿越的图像象元一般不相 同或相交长度不会相等；q 为描述图像象元灰度连续性的一个矩阵，由式( 2 1 3 ) 导出，称为偏差矩阵( 或光滑矩阵) 。w 和q 常常是很大的矩阵。一旦阡，预先计 算出来了，就可以作为常量于图像重建过程中，使得实际的图像重建过程的仅为 一矩阵与一向量的相乘，计算量很小。 2 5 光学传感器 2 。5 1 工作原理 光学传感器的工作原理为：由光发射器发出光束，穿过被测对象到达接收器， 所接收的光强与无被测物时接收的光强相比，判断是否有衰减。光发射器、接收 器与光线必须在同一平面上，光发射器发出的经准直后的光线穿过被测对象，由 接收器接收，并形成投影数据，从而提取与该过程截面有关的特征信息。 光线扫描是利用一种激光阵列传感器来实现的。本文采用的是环形扇束阵列 结构，如图2 5 所示，其激光器和光电接受器相间排布于管道周围，激光器和光 电接收器各1 5 个，每个光源对应5 个接收器，相邻射束间夹角分别是1 2 。，图 像分辨率设置为1 5 1 5 。本章中利用的投影数据正是沿图2 - 5 所示的7 5 条光扫描 路径( 1 5 5 ，夹角1 2 。) 得到的数据。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 5 2 几何结构 s s s “ s 曼 图2 5 扇束传感器阵列结构图 f i g 2 5s t r u c t u r eo ff a n - b e a ma r r a ys e n s o r s 图2 - 6 所示分别是实验中所采用的激光敏感阵列传感器的几何结构图以及实 物照片 25 1 ，扇束结构传感器由1 5 对激光器及光电二极管均匀相间排布在直径为 8 0 r a m 的管道圆周上。激光器光源被调制成具有约5 0 。的扇束张角。当每个激光器 点亮时，由对面管壁对应的5 个光电二极管检测光信号。 激光器 光电= 极管 ( a ) 扇束阵列结构几何示意图 ( b ) 扇束阵列结构实物图 图2 - 6 激光传感器阵列结构 f i g 2 - 6a r r a ys t r u c t u r eo f l a s e rs e n s o r s 半导体激光器的物理尺寸为长度3 0 r a m ，直径8 r a m ，光波长6 5 0 n m ，输出功 第二章光学传感过程层析成像技术 率4 m w ，带有a p c 电路。在扇束传感阵列结构中，采用柱面透镜将光束调制成 张角约为5 0 0 和9 0 。的扇形光束，以便使更多的接收器能够接收信号，从而获得 更多的投影数据和投影方向，提高重建图像质量。所用光电二极管型号为2 c u 2 d ， 它只有两个引出线，即前级和后级，而没有环级。其最大工作电压为4 0 v ，电流 灵敏度大于o 5 ，响应时间0 1 9 s ，光电流大于3 0 斗a 。 2 6 光学p t 实验系统 2 6 1 实验装置 图2 。7 激光p t 实验系统 f i g 2 - 7e x p e r i m e n ts y s t e mo f l a s e rp t 如图2 7 所示，激光p t 实验装置【2 5 1 主要由五部分组成：内径圣8 0 透明有 机玻璃实验管段，阵列式半导体激光器一光电二极管( 正交或扇束排列) ，信 号处理电路板，传感器激励控制的数字输出卡，研华数据采集多功能卡 p c i 一1 7 1 0 h g 及其端子接口板。主控计算机，送料进给装置。图2 - 8 为1 5 个 激光器x 5 个接收器规格的扇柬扫描实验装置照片。 玺三些奎兰三兰堡圭兰堡丝三 图2 - 8 扇束结构激光p t 实验系统 f i g 2 8p i c t u r eo fl a s e rp te x p e r i m e n ts y s t e m w i t hf a nb e a ms t r u c t u r e 2 6 2 实验系统的软件设计 图2 - 9 实验系统的软件模块及流程 f i g 2 9m o d u l e a n df l o wc h a r to f e x p e r i m e n ts o rs y s t e m 1 8 第二章光学传感过程层析成像技术 实验系统所用计算机的c p u 主频为p i i l 8 6 6 m h z ，软件开发平台为v c 6 0f o r w i n d o w s 2 0 0 0 ，数据采集驱动程序为a d v a n t e c hd l l 。软件系统的主要模块及流 程如图2 - 9 所示，主界面如图2 1 0 所示，主界面上的相关控件可以调用各程序模 块，以采集与观测不同条件下的实验数据。 图2 1 0 软件系统的用户界面( 显示采集数据与重建图像) f i g 2 1 0u io f e x p e r i m e n ts o t ；t w a r es y s t e m s ( d i s p l a y a c q u i r e d d a t ea n dr e c o n s t r u c t e di m a g e ) 7 前期工作基础及课题的提出 2 7 1 前期工作基础 本课题小组在国家自然科学基金的资助下开展了以半导体激光器和光电二极 管作为光学传感器的层析成像技术的研究，主要研究工作及所取的成果包括： 1 深入研究了光学层析成像技术的基本理论，建立了测量系统的数学模型 2 7 1 2 8 】【2 9 。 2 设计研制了多种光学传感器的空间阵列结构，包含两方向、四方向正交传 感阵列结构和环形扇束扫