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广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者戳。粥 叫旧年6 月歹猸 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 做储馘：锵刷磁名办州舻拍洳 电容电阻双模态层析系统测量蔗糖浆浓度的研究 摘要 工业过程检测技术中，传统的单测量点技术测量结果只能反映物场某 特定点的信息，不能反映物场的二维信息变化。电容电阻( e c t e r t ) 5 叹模态 层析技术是基于电磁场理论的新型测量技术，其测量结果能反映物场的二 维信息变化，测量精度高，该技术具有广阔的应用前景。本论文初步探讨 将e c t e r t 双模态层析技术应用于糖厂煮糖罐内蔗糖浆结晶过程浓度变化 的监测中。在前人工作基础上，本论文主要完成以下工作： 1 、介绍了e c t e r t 双模态层析系统的基本原理、系统构成以及敏感 场特性分析，阐述双模态层析技术的特点、应用现状及测量蔗糖浆浓度的 应用前景。 2 、根据e c t e r t 双模态层析系统传感器测量数据具有冗余性和敏感 场具有非线性的特点，本文提出了一种测量糖浆浓度的方法：先利用主成 分分析法对传感器测量数据集进行降维，然后利用基于遗传优化r b f 神经 网络解决敏感场非线性问题，建立了糖浆浓度测量模型。 3 、设计并实现了基于m a t l a b 平台的e c t e r t 双模态层析系统软件， 包括系统数据提取、主成分分析、径向基( r b f ) 神经网络训练以及蔗糖浆浓 度的测量等功能模块。 4 、对几种常用流型进行单测量点法和双模态层析法的实验比较，结果 表明在蔗糖浆浓度测量中，所提出的双模态层析法浓度模型比单测量点法 具有较高的测量精度。 t 关键词：e c t e r b f 神经网络 r e s e a r c ho f e l e c t r i c a l c a p a c i t a n c ea n d e l e c t r i c a lr e s i s t a n c ed u a l m o d a l i t y t o m o g r a p h ys y s t e mi nm e a s u i u n gt h es u g a r s y r u pc o n c e n t r a t i o n a b s t r a c t i ni n d u s t r i a l p r o c e s s i n gd e t e c t i n gt e c h n o l o g y , t h er e s u l t so ft r a d i t i o n a l s i n g l e p o i n tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ec a no n l yr e f l e c tp r o p e r t i e si n f o r m a t i o no f o n ep a r t i c u l a rp o i n to fd e t e c t e df i e l d ，i n s t e a do ft w o d i m e n s i o n a li n f o r m a t i o n e l e c t r i c a l c a p a c i t a n c ea n de l e c t r i c a l r e s i s t a n c e d u a l m o d a l i t yt o m o g r a p h y ( e c t e r t ) i san e wt e c h n o l o g yb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h er e s u l t sc a n r e f l e c tt h et w o d i m e n s i o n a li n f o r m a t i o nw i t hh i g hd e t e c t i n ga c c u r a c y , a n dt h e t e c h n o l o g yh a sg r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i sp a p e r , t h ee c t e r t d u a l - m o d a l i t yt o m o g r a p h yt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e dt ou s ei nm o n i t o r i n gt h e v a r i a t i o no fs u g a rs y r u pc o n c e n t r a t i o ni ns u g a r - b o i l i n gb o t t l eo nt h eb a s i so f p r e d e c e s s o rw o r k s o m em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h eb a s i cp r i n c i p l e s ，s y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s e n s i t i v i t y f i e l do fe c t e r td u a l m o d a l i t yt o m o g r a p h ys y s t e mi s i n t r o d u c e d ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fd u a l m o d a l i t yt o m o g r a p h ya sw e l la st h ea p p l i c a t i o ns t a t u so f m e a s u r i n gt h ec o n c e n t r a t i o ni se x p l a i n e d 2 a c c o r d i n gt o t h e r e d u n d a n c yo fs e n s o r d a t aa n dt h en o n l i n e a r i i i c h a r a c t e r i s t i c so f s e n s i t i v i t y f i e l d am e t h o do f m e a s u r i n g t h e s y r u p c o n c e n t r a t i o ni sp r e s e n t e d ，f i r s t l yu s i n gt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i st o r e d u c et h ed i m e n s i o n so fs e n s o r d a t a ，t h e ns o l v i n gn o n l i n e a rp r o b l e m sb y g a - b a s e dr b fn e u r a ln e t w o r ka n de s t a b l i s h i n gam o d e lo fs u g a r s y r u p c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t 3 d u a l m o d a l i t yt o m o g r a p h ys y s t e m s o f t w a r ew a s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e db a s e do nm a t l a bp l a t f o r m ，i n c l u d i n gd a t ae x t r a c t i o n ，p r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ，r b fn e u r a ln e t w o r k t r a i n i n g ，a n ds u g a rs y r u p c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n tm o d e l 4 a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t so fs i n g l e p o i n tm e t h o d a n dd u a l m o d a l i t yt o m o g r a p h yo ns e v e r a lc o m m o nf l o wp a r e m s ，i ts h o w e dt h a t t h ed u a l - m o d a l i t yt o m o g r a p h yi sb e r e rt h a ns i n g l e - p o i n tm e a s u r e m e n tm e t h o d w i t hh i g h e rm e a s u r i n g a c c u r a c y k e yw o r d s ：e c t e r td u a l - m o d a l i t yt o m o g r a p h ys y s t e m ；s e n s o r ；p r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ；r b fn e u r a ln e t w o r k ；s y r u pc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t i v 擅要 a b s t r a c t 。 第一章蔗糖浆浓度检测技术 目录 一i i l l 1 1 蔗糖浆浓度测量技术概述l 1 1 1 电导率检测法l 1 1 2 射频法一1 1 1 3 射线法2 1 1 4 红外线法2 1 1 5 蔗糖浆浓度测量技术现状2 1 1 6 单测量点检测法的特点3 1 2e c t e r t 双模态层析系统测量蔗糖浆浓度概述3 1 2 1e c t e r t 双模态层析技术的研究现状3 1 2 2 双模态层析法浓度测量技术特点4 1 2 3 蔗糖浆的电学特性分析5 1 2 4 双模态层析法测量蔗糖浆浓度的意义。6 1 3 本文的主要工作6 1 4 本文结构7 第二章e c t e r t 双模态层析法测量数据处理 2 1e c t e r t 双模态层析系统数据特性8 2 1 1e c t e r t 双模态层析系统层析测量模式8 2 1 2e c t e r t 双模态单测量点测量模式9 2 1 3e c 讹r t 双模态层析系统的敏感场特性9 2 1 4e c 陇l 玎双模态传感器数据的相关性1 1 2 2 主成分分析的必要性分析1 2 2 3 主成分分析基本原理1 3 2 3 1 主成分分析的数学原理- 1 3 2 3 2 主成分分析的步骤1 4 2 3 3 主成分分析的作用1 5 2 4 双模态层析法测量数据的主成分分析1 5 2 5 本章小结1 6 第三章e c t e r t 双模态层析法的蔗糖浆浓度模型建立 3 1e c t e r t 双模态层析系统敏感场软场特性分析1 7 3 1 1e c t 模式下敏感场软场特性分析1 7 3 i 2e r t 模式下敏感场软场特性分析18 3 2 基于r b f 神经网络的蔗糖浆浓度模型1 8 3 2 1 双模态层析技术引入r b f 神经网络的意义。1 8 3 2 2r b f 神经网络的基本原理。1 9 3 2 3r b f 神经网络的隐层神经元选取2 0 3 2 4 改进的最小邻聚类方法确定网络参数2 0 3 2 5 遗传算法优化r b f 神经网络参数2 1 3 2 6 糖浆浓度模型的实现流程。2 2 3 3 本章小结2 3 第四章e c t e r t 双模态层析法测量蔗糖浆浓度软件设计。 4 1 软件系统的总体框架2 4 4 1 1e c t e r t 双模态层析法测量蔗糖浆浓度仿真软件设计的意义。2 4 4 1 2e c t e r t 双模态层析法测量蔗糖浆浓度软件的设计规则。2 4 4 1 3 软件系统包含的功能模块及相互间关系。2 5 4 2 软件系统流程图2 5 4 3e c t e r t 双模态层析法测量蔗糖浆浓度算法软件2 6 4 3 1 数据提取2 7 4 3 2 主成分分析算法2 9 4 3 3 遗传优化r b f 神经网络及参数更新算法2 9 4 3 4 浓度测量模块31 4 4 本章小结。3 l 第五章e c t e r t 双模态层析法测量实验结果与分析 5 1e c t e r t 双模态层析法测量数据的主成分实验分析3 2 5 2 单测量点法实验数据3 7 5 3r b f 神经网络参数优化实验结果3 7 5 4 浓度测量结果分析。4 0 5 4 1 基于仿真数据的浓度计算。4 0 5 4 28 极板e c t 模态下实际测量实验4 3 5 5 本章小结4 6 第六章总结与展望。 参考文献。 致谢。 攻读硕士学位期间已发表、录用的论文及参与的科研项目 i i 4 7 4 8 广西大掌硕士掌位论文电容电阻双模态层析系统测量蔗糖浆浓度的研究 第一章蔗糖浆浓度检测技术 1 1 蔗糖浆浓度测量技术概述 煮糖罐的一个生产周期需要经过装料，蒸浓，起晶，止晶，养晶，浓缩，出糖阶段。 煮糖生产过程是以甘蔗、甜菜为主要原料的复杂化工过程，在生产过程中需要消耗相当 多的原材料和资源成本，每一阶段对煮糖罐的操作都非常重要。所以从节能角度，煮糖 生产过程自动化控制对于不发达地区的糖厂尤为重要【l - 2 】。 起晶过程需要掌握并控制罐内糖浆的过饱和度，糖厂煮糖罐生产过程中的自动控制 系统，是提高糖厂糖膏结晶产量和质量的重要环节。自动控制系统能够在线监测糖膏的 过饱和度( 即蔗糖浆浓度，又称锤度) ，同时实时精确计量流量。整个煮糖过程就是根据 不同阶段的要求，控制不同的过饱和系数。目前过饱和系数的控制主要采用常规的单测 量点检测技术来实现，如：电导率检测、射频法、射线法等【1 】【3 1 ，这些传统的测量技术 将在下面小节中进行介绍。测量蔗糖浆过饱和度时，温度的测定也非常重要，必须要用 更复杂的过饱和仪表。煮糖罐内对绝对压力的严格控制即可使温度得到严格的控制，这 样就便于测出诸如电导率检测和沸点升高等的数据。通过控制器来控制这些传感器输出 的测量参数，作为进料或蒸汽流量控制器的输入，或作为阀位控制器的参考。 1 1 1 电导率检测法 在煮糖生产过程中，蔗糖浆浓度与电导率的关系，后面蔗糖浆浓度的电特性分析小 节将详细介绍。在特定的环境下，能够由电导率的变化得出蔗糖浆浓度的变化状况。电 导率检测法较为简单且恒定的蔗糖浆浓度的电导率在一定范围内不受温度的影响，同时 电导率是粘度的函数，纯度愈低电导率愈高。此时测定和分析不纯蔗糖浆可导电的特性， 在蔗糖浆浓度偏低时较准确，因而控制导电率能够达到所希望的晶粒含量和母液的过饱 和度。电导率检测法存在的不足是测量结果受蔗糖浆纯度的影响，同时传感电极设计质 量和积垢也会影响测量结果，再者煮糖工艺中特定温度和纯度是比较困难的，因而该方 法仍有待完善【2 j 。 1 1 2 射频法 采用射频法进行蔗糖浆浓度的测量，是基于射频阻抗理论，把蔗糖浆作为电介质， 通过蔗糖浆对射频信号呈现的阻抗特性即所反映出介电常数的变化来指示蔗糖浆的浓 度。上世纪8 0 年代，丹麦d d s 公司的科研人员将测量糖液浓度的方法进行了对比实验研 究，以性能价格比作为根据，选定射频糖液浓度测量方法作为糖液生产在线测量仪表进 行研究，开发出应用射频糖液浓度测量仪的结晶罐控制系统，并将其商品化推向市场f 羽。 射频法适用于现场的快速测量，缩短测量时间，但是测量结果受温度影响较大，可利用 三维补偿校正查表法进行温度补偿。 广西大掌硕士学位论文电容电阻双模态层析系统测4 1 - 蔗糖浆浓度的研究 1 1 3 射线法 射线法的基本原理是利用蔗糖浆吸收射线的容量和蔗糖浆浓度成线性关系，在煮糖 罐外发射y 射线通过罐内的蔗糖浆，用仪器接收并测量剩余射线的强度，从而间接反映 出蔗糖浆浓度。射线法设备简单，曾广泛应用于甜菜糖厂中，缺点是必须有严格的防护 措施避免射线对人体造成的伤害【3 】。 1 1 4 红外线法 红外线法主要利用了它在有机化合物分析测定中的独特性，蔗糖浆在近红外区域的 吸收系数小，分析过程比较简单而且速度较快。近红外区的波长短，在价格低廉的煮糖 罐中不易被吸收，提高分析精度。近十几年来，将近红外技术应用于甘蔗制糖行业主要 集中在美国、澳大利亚、南非，在分析蔗糖浆浓度方面有较好的研究成果，部分糖厂己 成功地将近红外法应用于在线测定指导生产。红外线法的缺点是需要一个精确的校正模 型，且不适用于痕量分析及少量样品分析【5 叫。 1 1 5 蔗糖浆浓度测量技术现状 糖厂煮糖罐的蔗糖浆浓度测量以及结晶过程的在线监测是蔗糖生产过程的一个关 键环节，国内外研究人员做了一些关于这方面的报道。1 9 5 7 年丹麦开始采用电导法控制 煮糖生产过程。英国糖业公司于1 9 6 7 年设计出由一台电子计算机控制的1 3 台煮糖罐的 制炼车间，利用煮糖罐的压力表和温度计从煮糖罐正面的副控制屏遥控手动操作阀门， 在车间控制室内遥控手动进行煮糖罐操作。不久，该公司设计出微型电子计算机控制的 真空煮糖罐，在每台真空煮糖罐上都安装了微信息处理器。由于传统煮糖罐内蔗糖浆浓 度的测量方法采用常规的单测量点检测技术，精度达不到工业要求，具体内容已经在前 面小节中论述，在此不再赘述。九十年代初，煮糖结晶过程自动控制技术随着人工智能 的发展有了很大的进步【丌，如基于规则的专家系统应用于控制煮糖结晶过程设计思想的 提出【引，以及紧接下来利用神经元网络的自学习自适应特点与其他智能控制相结合的方 法在煮糖结晶过程的在线监测中发挥巨大作用【9 10 1 。1 9 9 2 年，华南理工大学研制的糖膏 过饱和度在线测量装置样机在广西东门糖厂甲糖煮糖罐在线运行通过专家评议，该装置 利用粘度反映蔗糖浆过饱和度、晶粒状况，在线测量空心圆筒的扭矩，推算出过饱和值。 华侨大学机械工程系利用光电检测法在线测控糖液过饱和度，以光电逻辑处理技术和单 片微机相结合实现在线测控的要求。华南理工大学自动化系研究人员设计出甘蔗制糖结 晶过程的多层前馈神经网络( b a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ，简称b p 网络) 模型【1 1 】。 该神经网络模型的输入变量是温度、蔗糖浆浓度和纯度等主要参数，输出为煮糖的结晶 速度，通过网络的学习训练测量蔗糖浆结晶速度，实现制糖时间的控制和制糖自动化操 作。2 0 0 3 年，为了适应国内制糖企业生产现状的需要，复旦大学研究人员综合考虑目前 理论上缺乏煮糖过程的精确机理模型，提出了采用人工神经网络建立控制模型，并与昆 明冶研新材料股份有限公司和云南勐海县景真糖厂合作，开发设计出计算机自动控制煮 2 广。西r 大学硕士掌位论文电容电阻双模态层析系统测- j - 蔗糖浆浓度的研究 糖系统并投入使用。 1 1 6 单测量点检测法的特点 目前，煮糖罐内糖膏浓度的测量主要采用常规单测量点检测技术如电导法、折光法、 射线法、红外线法等h 儿1 2 。埔3 。由于煮糖生产过程中煮糖罐内的糖膏结晶过程具有不均匀 的泡状流动状态，电特性随浓度高低变化等特点，使得常规单测量点法测量结晶浓度存 在较大误差，煮糖监测系统无法发挥作用。一方面，这些检测法均是单相流的检测仪表， 对多组分的蔗糖浆，由于成分流动的复杂多变性，对测量浓度、流量、流型辨识不适用， 因而这类方法往往不能保证在整个生产过程中都有很高的测量精度，测量误差也较大， 无法实现在线自动监测。同时，由于单测量点检测法传感器装备存在一定的误差，使得 单测量点检测法得到的数据冗余度较高，增大检测结果误差。糖厂生产主要是利用工艺 过程对原材料、制品的定性定量分析测定得到的参数来指导生产，需要测定结果快速准 确，而单测量点法在蔗糖厂的锤度检测方面精度不够。单测量点检测法不能有效、全面 反映传感器物场信息，相关细节将在下一章传感器电磁特性分析中阐述。针对煮糖生产 过程的不均匀泡沫流状态特性，单测量点检测法的不足尤为突出，传感器采集数据对生 产过程的指导作用不全面，不能及时反映生产状态，已无法满足生产管理的需要。 在市场竞争日趋激烈的新形势下，研制一种低成本，能对采集数据进行预处理并对 蔗糖浆锤度、流量精确检测的技术取代传统的单测量点检测技术非常重要。本文提出的 e c t e r t 双模态层析法( c a p a c i t a n c et o m o g r a p h ya n dr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ，简写为 e c t e r t ) 探讨一种新的糖浆浓度检测方法。具体内容将在后面章节中对这种方法进行 详述。 1 2 e c t e r t 双模态层析系统测量蔗糖浆浓度概述 1 2 1e c t e r t 双模态层析技术的研究现状 目前，国内和国际上关于电容层析技术和电阻层析技术的研制和开发日趋成熟，已 应用于工业过程分布参数在线监测中，如多相流流型识别、流量测量以及流化床流化过 程1 1 7 - 1 5 市场前景广阔。自1 9 9 1 年，第一台实时电容层析成像系统研制成功，u m i s t 与中科院工程热物理所合作于1 9 9 9 年实现采集速度高达1 4 0 帧秒的e c t 系统。同年， 第四军医大学采用n e w t o n r a p h s o n 算法，实现4 幅秒图像的生物电阻抗成像技术研究 u 刿。过程层析技术发展迅速，然而这些研究开发都是独立进行，层析系统的相关技术缺 乏统一的国际标准。国内外一些研究人员根据各种层析技术的特点和适用范围的相似 性，尝试对多种p t 技术的融合i 1 1 2 0 1 ，目前已着重对e c t e r t 技术的融合进行研究。 b r i n a nsh o y l e 等基于对过程成像系统各子模块硬件和软件功能统一标准研制出了多模 态过程成像系统【2 1 1 。t d y k a o w k s i 等人研究了伽马射线和电容双模态成像算法【2 ，实验 数据和成像仿真结果较好。英国l e e d s 大学研制出多模态测量装置并开展多相流的检测， 3 厂西大掌硕士掌位论文 电容电阻双模态层析系统测- r - 蔗糖浆浓度的研究 多模态系统由电容、电阻层析技术与超声成像技术构成1 2 2 。国内的著名学府及科研机构 如天津大学、清华大学、浙江大学以及中科院等也开始了双模态层析技术的研究，在传 感器优化设计、图像重建算法和系统工业应用开发等方面都有一定的进展【2 3 】，已研制出 高水准的e c t e r t 双模态系统及配套软件。e c t e r t 双模态层析技术具有结构简单， 非辐射安全性好且精度较高等优点，发展潜力巨大2 0 】【2 4 1 ，但是关于e c t e r t 双模态层 析技术的应用研究还在起步阶段，特别是应用于糖厂煮糖过程的在线监测方面，尚未有 研究报道。 由于蔗糖生产具有较强的地域性，国内和国外从事蔗糖浆浓度在线控制的研究还比 较少，从近几年国内外文献所报道的情况分析，有关低成本的煮糖罐内糖膏浓度测量和 糖的结晶过程在线监测技术研究进展缓慢，相关技术文献也较少。在已有研究成果的应 用上，国内许多糖厂都涉及到过饱和度的在线测量，但是检测技术和计算机自动控制技 术仍然存在一定的局限性。考虑到目前e c t e r t 双模态层析技术已成功应用于多相流 的检测中，文献 2 3 】邓湘等采用双模态层析成像融合技术重建出油气水各相界面分布图 像，证实了理论研究方法的可行性。为此，本文结合e c t e r t 双模态层析技术在检测 技术以及人工神经网络在自动控制方面的优势，提出了e c t e r t 双模态层析技术应用 于煮糖工段蔗糖浆浓度的在线监测。e c t e r t 双模态层析技术在理论研究和实际生产对 蔗糖浆浓度、糖结晶分布过程实现可视化监测中具有十分重要的研究价值和广阔的应用 前景。 1 2 2 双模态层析法浓度测量技术特点 e c t e r t 双模态层析法包括电容层析法与电阻层析法，可无干扰的得到封闭管道中 流体横截面参数特性。e c t e r t 双模态层析系统中e c t 测量媒质介电常数分布，场域 近似为电容模型，被测媒质应为非导电介质；而e r t 测量媒质电导( 阻) 率分布，场域可 近似为电阻模型，被测媒质具有导电性。两者有各自的特点和适用范围，其中e r t 系 统要求被测流体的连续相为导体，而e c t 系统则要求被测流体为非导电介质作为连续 相。 本文研究的e c t e r t 双模态层析系统是在前人研究的e c t e r t 两种层析技术融合 的基础上，对e c t 、e r t 系统传感器采集数据进行合理分析，把在空间的冗余以及互补 信息依据数据分析理论准则进行优化设计，提供比传统单测量点检测技术更优越的性 能，以及更多有效信息量，从而拓宽系统的适用范围和测量精度。e c t e r t 双模态层析 法可实时提供封闭管道内物场可视化信息，依据管道中多相流液体浓度变化而引起阻抗 容抗的变化从而使传感器阵列输出信号发生变化，经计算机采集并结合相应的数据处理 方法将多相流组分的相关特性，比如锤度信息，实时显示出来，并参与过程优化控制。 该技术能提供单测量点检测技术无法提供的丰富信息如相轮廓、流型、浓度、相间隙率 以及速度等特征参数，从而实现生产过程参数的准确计量。e c t e r t 双模态层析系统由 以下几个部分组成，如图1 1 所示： 4 广西大学硕士掌位论文 电容电阻双模态层析系统测量蔗糖浆浓度的研究 ( 1 ) 双模态传感器。它包括电容层析传感器阵列、电阻层析传感器阵列以及屏蔽罩等 部件，其作用是以非接触或非侵入方式获取被测物场不同观测角度下的投影数据，其性 能优劣在很大程度上决定了双模态层析系统的性能。 ( 2 ) 信号转换电路及采集单元。该单元具有信噪比高，性能稳定等特点，主要功能是 控制传感器阵列的工作模式并进行信号转换、放大和滤波等，有的还具有信号并行处理 等功能。 ( 3 ) 澳l j 量数据的浓度模型。该单元依据反映被测物场特性的投影数据，采用定性或定 量的数据分析方法结合相应的人工智能模型，完成浓度的测量。 ( 4 ) 控制单元。该单元完成传感器阵列的工作模式控制、采集信号的发出、信息数据 预处理以及图像重建算法实现，可以选用p c 机、嵌入式微控制器等1 2 1 1 。 双模 态传 感器 阵列 控制信息 转换电 路及信 号采集 测量数据的浓度模型 特征参数输出 控制单元( 计算机微控制器) 图卜1e c t e r t 双模态层析系统结构图 f i g 1 1t h es t r u c t u r ev i e wo f e c t e r td u a l m o d a l i t ys y s t e m 1 2 3 蔗糖浆的电学特性分析 蔗糖浆浓度与双模态传感器输出关系如图1 2 所示【2 l 】。蔗糖浆在低浓度和高浓度时 表现不同的电特性，在蔗糖浆浓度小于5 0 时，呈现的是阻抗特性，容抗特性较小，可 使用电阻( 或电导) 层析技术；当蔗糖浆浓度大于5 0 时，阻抗特性开始显著下降，相反 容抗特性开始凸显，可使用电容层析技术【2 5 】。由e c t e r t 双模态层析技术对煮糖罐 中蔗糖浆电特性相关的实验研究表明，在煮糖生产过程中，需要根据不同的蔗糖浆浓度 进行测量模式的切换。 糖溶液浓度( 1 图1 - 2 糖溶液浓度与传感器输出关系图 ( 曲线“”为电容传感器输出；曲线“o ”为电阻传感器输出) f i g 1 - 2t h ed i a g r a mo f r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u g a rc o n c e n t r a t i o na n ds e n s o r o u t p u t ( “”d e n o t a t i o nt h eo u t p u to fe c t ；o ”d e n o t a t i o nt h eo u t p u to fe r t ) 5 广西大学硕士学位论文电容电阻双模态层析系统测量蔗糖浆浓度的研究 e c t e r t 双模态层析技术可以充分利用煮糖罐内蔗糖浆浓度变化时表现出不同的 电特性特点实现煮糖结晶过程的在线监测。 1 2 4 双模态层析法测量蔗糖浆浓度的意义 目前国内外糖厂大多通过测量煮糖罐内的真空度、蔗糖浆浓度、粘稠度等实现蔗糖 结晶过程的在线监测，系统结构复杂且成本较高。高成本投入对规模较小的糖厂而言负 担很重，但如果采用单测量点检测法得出的蔗糖浆浓度精度不高，由前面分析知道单测 量点检测法因测量误差大已无法满足蔗糖厂生产过程自动化控制精度的需求，生产效率 低。 本文提出的e c t e r t 双模态层析法解决了以上难题，该技术应用于糖厂煮糖生产 过程是利用煮糖罐内蔗糖浆浓度变化而引起被测物场阻抗或容抗的变化，进而使罐壁或 管壁上的传感器阵列输出信号发生变化，经计算机采集得到的测量数据进行蔗糖浆浓度 神经网络模型的测量。该检测技术能将煮糖罐内糖膏浓度、糖膏结晶生长相关特征值显 示出来，并参与过程控制。一方面，该技术可以实现对蔗糖浆浓度多方位的检测以及截 面分布式测量，流型的识别，糖膏的结晶情况，能获得煮糖管道内部两相多相介质的二 维三维分布信息；另一方面，e c t e r t 双模态层析法相对简单，具有非侵入、安全及响 应速度快的特点，既可以缩短煮糖生产时间，糖膏质量好，晶粒均匀，且可大大减轻工 人的劳动强度，节省人力，保证煮糖生产过程的最优控制。随着e c t e r t 双模态层析 技术的研究和发展，能不断提高糖厂成品糖质量，延长生产设备使用寿命，减少能耗， 最终为企业带来经济效益。因此，e c t e r t 双模态层析技术极具发展前景，特别是应用 于石油、化工、能源和制糖等工业生产过程。 1 3 本文的主要工作 本文对e c t e r t 双模态层析技术在煮糖工艺在线监测中提高蔗糖浆浓度测量精度 进行了深入的研究，以国家自然科学重点基金项目为背景，研究e c t e r t 复合层析技 术在糖厂煮糖过程中蔗糖浆浓度的测量。借鉴神经网络的非线性逼近思想，本文在深入 分析了e c t e r t 双模态层析技术系统模型和基本原理，敏感场电磁特性分析，采集数 据的相关性预处理，蔗糖浆浓度神经网络模型的建立以及蔗糖浆浓度的测量等，在课题 组前期研究基础上，主要工作如下： 1 、介绍了e c t e r t 双模态层析系统的基本原理、系统构成以及敏感场特性分析， 阐述双模态层析技术的特点、应用现状及测量蔗糖浆浓度的应用前景。 2 、根据e c t e r t 双模态层析系统传感器测量数据具有冗余性和敏感场具有非线性 的特点，本文提出了一种测量糖浆浓度的方法：先利用主成分分析法对传感器测量数据 集进行降维，然后利用基于遗传优化径向基神经网络( r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a l n e t w o r k ，简称r b f 神经网络) 解决敏感场非线性问题，建立了糖浆浓度测量模型。 3 、设计并实现了基于m a t l a b 平台的e c t e r t 双模态层析系统软件，包括系统 6 广西大学硕士掌位论文 电容电阻双模态层析系统测量蔗糖浆浓度的研究 数据提取、主成分分析、神经网络训练以及蔗糖浆浓度的测量等功能模块。 4 、对几种常用流型进行单测量点法和双模态层析法的实验比较，结果表明在蔗糖 浆浓度测量中，所提出的双模态层析法浓度模型比单测量点法具有较高的测量精度。 1 4 本文结构 本文包括六章，各章内容安排如下： 第一章，蔗糖浆浓度检测技术。介绍了e c 耽i 玎双模态层析技术和蔗糖浆浓度检 测相关技术现状、应用前景，以及本课题研究背景意义和研究内容。 第二章，e c t e r t 双模态层析法测量数据处理。介绍了e c t e r t 双模态层析法数 据特性，给出传感器输出数据主成分分析求解方法。 第三章，e c t e r t 双模态层析法的蔗糖浆浓度模型建立。e c 陇i 玎双模态层析系 统敏感场软场特性分析。针对敏感场非线性问题提出基于r b f 神经网络的蔗糖浆浓度 模型，并介绍了相关的r b f 神经网络基本原理和遗传算法优化r b f 神经网络参数。 第四章，e c t e r t 双模态层析法测量蔗糖浆浓度软件设计。介绍软件的总体框架和 主要功能模块，包括传感器参数设置和数据提取并进行预处理与分析，遗传优化网络参 数，r b f 神经网络算法，浓度计算模型等。 第五章，e c t e r t 双模态层析法测量实验结果与分析。对单测量点法和e c t e r t 双模态层析法的实验结果进行比较分析，并得出结论。 第六章，总结和展望。总结全文，并指出该技术需要进一步探究和改善之处。 7 广西大学硕士学位论文 电容电阻双模态层析系统测量蔗糖浆浓度的研究 第二章e c t e i 玎双模态层析法测量数据处理 本论文对e c t 厄r t 双模态层析系统传感器数据的采集主要通过对传感器阵列施加 激励电压电流，在不同的极板对上获得边界测量值。通过分析采集数据的数据特征以建 立相应的数据处理模式。 2 1e c t 厄r t 双模态层析系统数据特性 2 1 1e c t e r t 双模态层析系统层析测量模式 本文采用的双模态层析系统激励测量模式主要有以下两种。 1 、e c t 层析测量模式 如图2 1 ( a ) 所示对于具有8 极板的e c t 传感器【2 6 1 ，一个完整的相邻测量过程：极板 1 先被选作激励电极，施加正弦交流信号，然后分别测量极板对1 2 ，1 3 ，1 8 之间的 电容输出，未被测量极板接地；接下来选择电极2 为激励电极，分别测量极板对2 3 ， 2 4 ，2 8 的电容输出，未被测量极板接地，整个过程持续到测量极板对为7 - 8 。 对于一个有个极板的e c t 传感器，传感器的检测电容数据维数三的计算公式【2 1 】： 三= t n ( n - 1 ) ( 2 - 1 ) 因此，对于8 极板e c t 传感器采集到的检测电容数据维数为2 8 ，1 6 极板e c t 传感 器采集到的检测电容数据维数为1 2 0 ，依此类推3 2 极板e c t 传感器的检测电容维数为 4 9 6 ，6 4 极板e c t 传感器的检测电容维数为2 0 1 6 ，可以看出，e c t 传感器检测电容数 据的维数随着极板数的增加而增加。 2 、e r t 相邻层析测量模式 如图2 - 1 ( b ) 所示对于具有8 极板的e r t 传感器，通过对其中某相邻两极板对施加激 励电流，在其它相邻极板对上测出电压数据。一个完整的e r t 相邻激励测量过程：极 板对1 2 先被选作激励电极，施加正弦交流信号，然后分别测量极板对3 - 4 ，4 5 ，7 8 的检测电压输出；接下来选择极板对2 3 作为激励电极，分别测量极板对4 5 ，5 - 6 8 1 的电压输出，整个过程持续到测量极板对为7 8 ，未被测量到的极板不接地。 对于一个有个极板的e r t 传感器，传感器的检测电压数据维数三的计算公式口1 j ： 三= t n ( n - 3 ) ( 2 - 2 ) 因此，8 极板e r t 传感器采集到的检测电压数据维数为2 0 ，1 6 极板e r t 传感器采 集到的检测电压数据维数为1 0 4 ，则3 2 极板e r t 传感器的检测电压维数为4 6 4 ，6 4 极 板e r t 传感器的检测电压维数为1 9 5 2 ，可以看出，e r t 检测电压数据的维数随着极板 数的增加而增加。 8 广西大学硕士掌位论文电容电阻双模态层析系统测- 1 - 蔗糖浆浓度的研究 7 ( a ) 8 极板e c t 传感器 7 0 ) 8 极板e r t 传感器 5 输出 图2 - 18 极板e c t e r t 双模态传感器结构图 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r eo f8e l e c t r o d e se c t e r td u a l - m o d a l i t ys e n s o r 2 1 2e c t e r t 双模态单测量点测量模式 1 、e c t 单测量点测量模式 如图2 - 2 ( a ) 为8 极板e c t 单测量点测量模式。测量过程中，令极板l 为激励状态， 而极板5 为检测状态，其它极板接地。传感器输出数据只有一个，即一维。 2 、e r t 单测量点测量模式 如图2 - 2 ( b ) 为8 极板e r t 单测量点测量模式。测量过程中，令极板1 2 为激励状态， 而极板5 - 6 为检测状态，其它极板悬空。传感器输出数据只有一个，即一维。 7 ( a ) 8 极板e c t 单测量点模式( b ) 8 极板e r t 单测量点模式 图2 - 28 极板e