电导法原油含水率测量传感器的模型优化与仿真

电导法原油含水率测量是基于阵列电极传感器的一种测量方法,电极系的结构与参数对传感器性能有着重要影响.拟研究电极系传感器结构的优化设计方法,在建立传感器电场分布理论模型的基础上,利用ANSYS有限元软件仿真电极系传感器不同参数下的电场分布,分析电极环宽度、激励电极对间距、测量电极间距等参数对传感器性能的影响.依据仿真结果,确定传感器的优化参数,并对传感器进行了灵敏度的模拟测试,测试结果显示:传感器灵敏度仿真结果与实际测试结果一致性较好;在高含水(大于85%)的油水两相流含水率测试精度可达3%.测试结果验证了传感器理论和仿真分析方法的有效性,为优化设计传感器提供一种有效的方法.     

电磁相关法流量测量传感器检测电极距离研究

多相流流量测量在工业生产与科学研究中有着广泛的应用。针对石油生产测井狭小空间环境下的油气水多相流流量测量问题,提出了一种能扩大生产测井中多相流油气含率的量程范围并提高流量测量精度,且具有连续测量、无放射性、低成本等优点的油气水多相流电磁相关法流量测量传感器。电磁相关法流量测量传感器两对检测电极之间的距离设计是该类传感器设计的关键技术之一,通过传感器内部虚电流及其敏感场的仿真研究与分析,为电磁相关法流量测量传感器的两对检测电极之间的距离设计提供帮助,以促进新型多相流流量仪表的发展。     

平面电容传感器设计及在材料探伤中的应用研究

材料内部不同损伤具有不同的介电特性,利用平面电容传感器可以实现无损检测。平面电容传感器电极位于同一平面,敏感场非均匀分布,电极结构是影响传感器敏感场分布的主要因素。研究敏感场分布特性有助于提高传感器测量精度。本文基于有限元研究了不同电极结构的平面电容传感器,仿真结果表明,矩形叉指电极敏感场分布均匀性好。分别优化矩形叉指电极和圆形电极结构参数,并基于PCB工艺研制传感器用于材料损伤检测。实验验证了平面电容传感器用于材料探伤的有效性,且矩形叉指电极传感器测量效果优于圆形电极。     

基于电-声复合传感器测量含水合物液膜厚度仿真研究

针对天然气输送管道内含水合物液膜的厚度测量问题,基于电-声联合探测方法原理设计了集成同轴圆盘-双环电极和超声晶片的内嵌凹面式电-声复合传感器,建立了数值仿真模型对传感器的结构和工作参数进行了优化,并分别对含有离散分布水合物颗粒和水合物沉积层液膜的厚度进行了仿真测量,讨论了电阻法和超声渡越时间法的适用性;研究结果表明:同轴圆盘-双环电极中的圆盘电极的半径、圆盘电极/内环电极的间距是影响电学测试空间灵敏度的主要结构参数,超声波频率对声学测试空间灵敏度产生显著影响,因此需要对凹面式电-声复合传感器的参数进行优化设计;电阻法和超声渡越时间法分别适用于测量水合物以离散颗粒形态分布和以沉积层形态分布的液膜,两类方法优势互补显著,拓宽了电-声复合传感器的适用范围。     

基于Simulink的零磁通微电流传感器的仿真与实验

根据零磁通补偿原理,基于Simulink平台建立了带有零磁通补偿的微电流传感器模型.为了快速准确地补偿微电流传感器的误差,提高微电流传感器的测量精度.该模型中的补偿单元采用有源与无源相结合的方法对对输出电流进行相位和幅值补偿.通过对仿真结果的分析,证明了该模型的正确性和有效性.并根据模型研制出了一种零磁通微电流传感器,对其误差进行测量.结果表明利用该补偿方法时电流传感器在测量微安级到毫安级的工频电流时准确度可达到0.2级,且补偿方式方便快捷.     

电流式化学传感器

以测量电流大小或电流改变来测定某一物质的方法称为电流分析法。基于这种原理制成的传感器件,称为电流式化学传感器。利用极限电流测量浓度的方法已有60多年的历史。早期主要是研究电极,电极性能,电极过程等等,积累了许多电化学基础知识。运用这些知识研制化学传感器不过是十多年左右的事。近年来电流式化学传感器发展迅速,有关介绍较多可供参考。本文仅就电流式化学传感器的概况及近期发展加以介绍。     

基于Maxwell与Simplorer仿真分析磁通门磁场传感器瞬态响应

为分析磁通门磁场传感器的工作原理,基于Maxwell和Simplorer软件建立了磁通门磁场传感器的电磁联合仿真模型,仿真了磁通门非线性激励电路中电流波形和磁通门传感器的瞬态响应过程,分析计算了磁通门二次谐波灵敏度以及磁通门传感器的转换系数.为验证仿真模型的准确性,利用钴基非晶薄片制作了磁通门传感器探头并利用开关电源驱动电路激励磁通门工作.实际测量的激励电流波形与仿真结果基本一致,磁通门二次谐波灵敏度的测量值与仿真值误差小于1.1%.测量磁通门的频率响应曲线得到磁通门的转换系数为100 mV/μT,与仿真值几乎完全一致,两者误差小于1.5%.该仿真模型对理解磁通门传感器的工作原理、瞬态响应过程以及指导微型磁通门传感器设计具有重要意义.     

一种采用压电复合音叉的电流传感器研究

针对当前非接触电流测量方式存在的灵敏度低、结构复杂等问题,本文提出了一种采用压电复合音叉的电流传感器用于非接触低频微弱电流测量,其结构由永磁体、弹性音叉、压电片及底座组成.当该传感器处于电线周围交变磁场中时,永磁体在磁场作用下产生扭矩并驱动弹性音叉臂及压电片产生形变;因压电效应,形变的压电片两端电极之间输出交变电压信号,从而实现电流的测量.由于磁扭矩效应,这种传感器具有较高的谐振灵敏度,大约是压电悬臂梁式电流传感器的4.0倍;在负载电阻为10 MΩ、频率为41.7 Hz时,灵敏度可达1.393 V/A,线性度约为0.57%.这种压电复合音叉式电流传感器模型还可以应用于微弱振动、磁场信号探测等.     

长线磁致伸缩位移传感器的磁极化强度模型

长线磁致伸缩位移传感器是一种利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应及其逆效应实现位移测量的传感器.运用电磁学和铁磁学相关理论,构建了磁极化强度模型,讨论了该种传感器中扭转式弹性波的产生机理.通过建立有限元模型,使用ANSYS仿真平台进行了激励磁场的仿真模拟.理论模型对仿真结果数据的进一步计算获得了磁致伸缩线体内应力的分布特性.计算结果与实验数据的比较,证明了磁极化强度模型相关理论的合理性.为构建有效的弹性波信号,提高该种传感器检测精度提供了理论依据和实验数据.     

电容耦合电阻层析成像传感器结构优化设计研究

针对电容耦合电阻层析成像传感器的优化设计,首先利用有限元仿真软件建立了12电极传感器有限元模型,并分析了后续图像重建所需的传感器灵敏场,之后将该仿真模型与实际传感器相应的测量数据及重建图像进行对比验证,研究表明仿真与实验结果能够较好吻合,为对传感器性能进一步研究提供可靠基础.为了提高系统稳定性及抗干扰能力,以该原始模型...     

基于双极性脉冲电流技术的电阻层析实时成像系统

提出了一种采用新的激励方法的电阻层析实时成像系统.该系统采用双极性脉冲电流激励模式,避免了直流激励下的介质电极化现象.相对于采用交流激励模式的电阻层析成像系统,新系统结构简单,大大地简化了比较耗时的滤波器环节,数据的采集速度显著提高.实验结果表明,电阻层析实时成像系统每秒可采集150帧以上的图像数据,采用灵敏度系数算法可实现每秒30帧实时成像.     

井间ERT电极阵列优化及监测实验系统设计与开发

为了开发用于地层中CO2运移监测的井间ERT系统,研究了ERT电极阵列和工作模式优化设计方法并研制了井间ERT监测模拟实验系统。基于COMSOL平台构建了模拟井间ERT测量响应的有限元数值模型,利用数值模型分析了电极间距和宽度等参数对监测区域电场灵敏度的影响规律以及不同电极阵列工作模式下场域灵敏度的分布特征,确定了井间ERT实验系统中最优的电极参数,即电极间距、宽度与监测范围的比值分别为0.200、0.025,电极阵列的工作模式为AM-BN。在对实验系统进行功能需求分析、总体设计以及上述优化设计的基础上,分别对系统硬件部分和软件部分进行了开发,采用多路切换开关并配合精密电桥仪实现了对电阻抗参数的测量,利用以LabVIEW为平台开发的测控软件实现了对实验系统的自动化控制。以埋放绝缘物体来模拟注入地层CO2的方式开展了实验测试,结果显示测量到的电阻抗数据可以灵敏地反映出监测区域电参数的变化且能够用于定位绝缘物体的位置,从而验证了所开发系统的可用性。所建立的电极阵列优化设计方法以及开发的井间ERT监测模拟实验系统为下一步深入研究基于复电导率参数的CO2饱和度评价模型和开发现场适用的井间ERT监测系统提供了实验平台。     

一种改进的电阻层析硬件系统设计

针对目前电阻层析成像(ERT)系统激励产生和数据采集较复杂的问题,实现了一种改进的单电极激励ERT硬件系统。采用微控器控制DAC芯片产生脉冲电压信号驱动精密电压/电流转换电路产生双极性脉冲电流激励,同时控制ADC芯片完成数据同步采集。该方法简化了激励信号的产生,不需要数据同步采集的控制模块,具有电流激励可调的特点。实验结果表明,改进的16电极ERT系统在简化设计的同时可实现208帧/秒的数据采集速度,满足实际应用要求。     

电阻层析成象技术的研究现状与应用发展趋势

电阻层析成象技术（Electrical Resistance Tomography,缩写ERT）是一种新兴的 两相流体流动参数分布状况的在线、实时检测技术,近年来受到了各国研究者的重视而得到 迅速发展．本文在简要介绍ERT系统组成之后,综述了ERT技术在传感器结构、数据采集与处 理硬件电路、成象算法、应用性开发等几方面的研究进展现状,指出ERT技术发展中必须解 决的关键问题,最后对ERT技术的发展及应用前景进行了展望．     

电容耦合电阻层析成像并行电阻测量原理研究

传统的电阻层析成像(ERT)系统的电极与被测介质直接接触,容易产生电极极化、电化学腐蚀等问题,近年来出现的电容耦合非接触电导测量技术与ERT技术相结合的电容耦合电阻层析成像系统提出了一种新的非接触测量方法来解决此问题。但是目前该系统的电阻测量原理决定了其测量模式是串行的,成为限制系统数据采集速度的一个重要因素。针对该问题,本文引入了新的测量模型,提出了并行电阻测量原理,实现了数据采集系统,大大提高了系统速度。本文主要研究内容包括:分析了新型传感器的测量模型,提出了新的电阻求解方法;利用有限元法获得了新测量模型下管道内灵敏场分布;研制了相应的12电极样机系统。初步实验测试结果表明,该系统在具有较好测量精度的同时,其数据采集速度可达120帧/s,有效提高了电容耦合电阻层析成像系统的实时性。     

基于单电极双模态数字化系统设计

由于电阻层析成像(ERT)和电容层析成像(ECT)具有不同的应用范围,为了拓宽测量范围,通常采用ECT和ERT阵列电极组合形成双模态结构。作者在传统ECT传感器研究基础上,提出了一种新颖的单电极双模态传感器结构,并有效消除了两模态的相互影响,实现单模态或双模态运行。本文设计的数字化系统,充分利用FPGA和DSP,实现了全数字正交序列解调,系统的速度和精度都得到了提高。对系统中单电极双模态传感器、激励信号发生模块、电阻/电容转换电路及相敏解调单元等进行了分析。实验表明,该系统工作稳定、使用灵活,明显拓展测量范围。     

Performance optimization of current focusing and virtual electrode strategies in retinal implants

The electrode configuration in an implanted visual prosthesis array affects the spatial electric field distribution within the retina, contributing to current focusing and virtual electrode (VE) stimulation strategies. In this paper, a finite element model incorporating various electrode configurations was used to study the interaction between electrode size and electrode-to-cell distance in current focusing and VE stimulation paradigms. The electrode array unit comprises an active electrode, six flanking return electrodes and a distant monopolar return. A quasi-monopolar (QMP) fraction is defined as the proportion of current which can be preferentially returned through the distant return, in comparison with the more adjacent flanking electrodes. The simulation results indicate that current focusing and VE strategies can be optimized by tuning the QMP fraction. The QMP fraction is adjusted to optimize the electric field spread based on retinal ganglion cell (RGC) density in the degenerate retina, thereby offsetting the effect of inhomogeneous distribution of surviving RGCs and leading to a uniform stimulation paradigm across electrodes. Importantly, there is negligible difference in functional performance across electrode configurations for distances less than the electrode diameter, implying that the stimulation mode does not significantly affect activation threshold or activated retinal area for electrode diameters greater than the retinal thickness. Furthermore, the QMP fraction has a significant effect on VE performance, defined by activation threshold and activated retinal area, when threshold current is evenly divided between two adjacent active electrodes.     

电阻层析成像系统全电极模型仿真研究

在电阻层析成像系统中,激励模式和电极数目的设计直接影响到整个系统。为了提高重建图像质量,更好地指导ERT系统设计,对敏感场进行深入的分析是必要的。通过电磁场有限元仿真软件COMSOL,构建ERT的电极模型,通过对空场和离散介质场域的仿真研究,分析了各个因素对敏感场的影响,并对四种典型流型进行了图像重建。仿真实验表明,COMSOL图像重建效果满意,为图像重建的研究提供了新的思路。     

高速电阻层析成像数据采集系统设计

针对目前电阻层析成像(ERT)系统实时性欠佳的问题,研制成功一套基于DSP和USB2.0技术的ERT数据采集系统.模块化设计保证了系统良好的可维护性和可扩展性,双极性脉冲电流激励技术和优化的结构设计实现了系统高速的数据采集能力,从而突破了ERT系统数据采集速度的瓶颈问题.测试结果表明,系统在取得良好精度的同时达到1464帧/秒的数据采集速度,满足了实际工业应用的实时性要求.     

Development of a multiprobe electrical resistivity tomography prototype system and robust underground clustering

This study reports a 24‐probe electrical resistivity tomography (ERT) prototype system and its empirical evaluation in a case study setting. The system was designed using the Wenner soil resistivity measurement method. The performance and outputs of the approach and the developed prototype system were assessed and approved by the General Directorate of Mineral Research and Exploration of Turkey. This study is also supported by the Republic of Turkey Ministry of Science, Industry and Technology through the project “Distinguishing of Metallic Targets (code number is 1064.STZ.2011‐2).” The state of the art of this study is multiprobe ERT, which has a touchscreen for ease of use and improved measurement accuracy for minimizing RMS (root mean square) error using a 16‐bit ADC. Similar to other ERT systems, the prototype system that we have developed allows the user to change the current and probe interval via the touchscreen user interface. In addition to this system, a new fuzzy clustering algorithm named robust colored image fuzzy C‐mean was developed in this study. The robust colored image fuzzy C‐mean performs underground clustering in RGB colors, which provides improved clustering results compared to those of the conventional fuzzy C‐mean clustering algorithm.