I 摘要 在现代工业领域，分相介质分布的可视化、流型辨识等对于资源合理 开发、安全生产以及工业过程控制有着重要意义。电容层析成像(ECT)技 术是实现两相介质在线辨识的一种较为理想的手段，但其用于输送带安全 检测的研究目前尚无成熟技术。本文通过对方形 ECT 系统的研究，最终提 出了其用于输送带安全检测的可行性和实现方法。 (1)提出了研究和解决输送带安全检测问题的新思路。即首先建立一个 方形电容传感器系统模型，用有限元法对其进行分析，计算出各电极对的 电容值并对其进行归一化处理。采用加权 LBP 算法和 BP 三层神经网络算 法对图像进行重建，证实了对方形电容传感器分析的正确性。鉴于“软场 效应”引起的图像边缘的失真，本文采用改进的加权 LBP 算法进行图像重 建，并证明了其相对于旧 LBP 算法具有较高的图形分辨率。 (2)在对方形 ECT 系统分析和图像重建算法研究的基础上，提出了由 其推演为长宽比较大的长方形 ECT 系统的研究方法。针对输送带内部钢丝 绳的分布特点，将传统的对像素单元的划分改为对像素块的划分，采用改 进的 LBP 算法对断面进行图像重建。 (3)在确定条件下，对称地将极板贴于皮带两侧，采用基于模型的阈值 化二进制序列编码法进行断面成像。将系统进一步改为单面贴极板的电容 传感器系统，同时对二进制序列码进行修正。通过计算机仿真实现大量断 面成像的基础上最终实现输送带水平成像。为实现输送带内部钢丝绳分布 在线实时监测奠定了基础。 关键词 电容层析成像；有限元；输送带；图像重建；序列码燕山大学工学硕士学位报告 II Abstract It’s important to make the distribution of divisional-phase medium visible and flow-pattern identifiable for economical resource exploitation, safe work and industrial process control in modern industrial field. Electrical Capacitance Tomography(ECT) is an effective means to realize two-phase medium on-line identification. But there aren’t papers of it applied to conveying belt safety measurement. This paper validates the feasibility that ECT can be used for conveyer belt safety measurement and brings forward the way to realize it by studying the square ECT system. (1)A new idea is put forward to investigate and solve the problem of conveying belt safety measurement. Firstly, a model of square ECT sensor system is established, then the sensor system is analysised with finite element method and each electrode couple’s capacitance is calculated and normalized. Image is reconstructed with weighted LBP algorithm and BP three-layer neural network algorithm. Considering the image edge distortion aroused by soft field effect, the image is reconstructed by improved weighted LBP algorithm, which is proved to have higher image resolving power than the old. (2)Basing on the image analysis of square ECT system and the study in image reconstruction algorithm. A investigative way is put forward to evolve square ECT system into rectangle with bigger length and breadth ECT system. Contraposing the distribution character of steel-cord in conveying belt, the conventional plotting to pels unit is improved to plotting to pels block. Image of cross section is reconstructed by improved LBP algorithm. (3)In certain conditions, electrode boards are sticked symmetrically on the both surfaces of the conveying belt. Cross-section image is reconstructed by threshold value binary sequence coding which is based on the model. The sensor system is ameliorated to the one with electrode boards on one surface, simultaneously, the binary sequence code is corrected. Horizontal image ofAbstract III conveying belt is constructed finally basing on abundant cross-section image by computer simulation, which settles the basis for realizing on-line timely measuring of steel-cord distribution in conveying belt. Keywords Electrical capacitance tomography; Finite element; Conveyer belt; Image reconstruction; Sequence code目 录 目 录 摘要 …Ⅰ Abstract …Ⅱ 第 1 章 绪论 1 1.1 课题的研究背景 …1 1.2 国内外研究现状 …2 1.2.1 电容层析成像技术的发展 2 1.2.2 钢绳芯输送带无损检测技术的发展 3 1.3 本课题的研究目的及意义 …4 1.4 本文的内容结构安排 …4 第 2 章 电容层析成像技术 6 2.1 ECT 基本原理…6 2.2 ECT 系统的组成6 2.3 ECT 中的电容测量方法…7 2.4 电容层析成像技术的典型算法 …8 2.4.1 线性反投影法 9 2.4.2 模型重建法 …10 2.4.3 神经网络法 …11 2.4.4 基于迭代的 LBP 算法 …12 2.5 电容层析成像技术的用途及发展方向 13 2.5.1 电容层析成像技术的用途 …13 2.5.2 电容层析成像技术的发展方向 … 13 2.6 本章小结 14 第 3 章 有限元在 ECT 中的数值模拟 …15 3.1 静电场理论知识 …15 3.1.1 静电场的散度和旋度 …15 3.1.2 泊松方程和拉普拉斯方程 …16 3.1.3 静电场中的边值关系 …17 3.1.4 唯一性定理 …17 3.2 有限元法在静电场中的应用 18 3.2.1 有限元法基本原理 18 3.2.2 边值问题的二维有限元分析步骤 19 3.3 方形电容传感器的有限元分析 …23燕山大学工学硕士学位报告 VI 3.3.1 电容传感器的数学模型 23 3.3.2 方形电容传感器的有限元模型 …23 3.3.3 有限元法对静电场的电势仿真 …29 3.3.4 电容计算和电容归一化 30 3.4 本章小结 32 第 4 章 ECT 在方形断面中的图像重建 33 4.1 敏感场计算及仿真 33 4.1.1 敏感场计算公式 …33 4.1.2 敏感场仿真结果 …34 4.1.3 敏感场仿真分析 …35 4.2 LBP 算法在方形 ECT 系统中的图像重建 36 4.2.1 加权 LBP 算法的概念和计算公式 36 4.2.2 图像重建程序流程 37 4.2.3 图像重建结果 37 4.2.4 结果分析 38 4.2.5 改进的 LBP 算法图像重建 …39 4.3 BP 神经网络算法在 ECT 中的图像重建 …40 4.3.1 设计方案及编程思想 …41 4.3.2 图像重建结果 43 4.3.3 结果分析 43 4.4 本章小结 44 第5章 ECT用于输送带安全检测的可行性研究…45 5.1 钢绳芯输送带介绍 45 5.1.1 钢绳芯输送带断带故障分析…45 5.1.2 钢绳芯输送带内部结构…46 5.2 ECT 用于输送带接头检测的可行性分析 …46 5.2.1 设计方案理论分析…46 5.2.2 设计方案实验验证…48 5.3 ECT 在输送带接头检测中的应用 49 5.3.1 长方形电容传感系统的研究…49 5.3.2 修正的 LBP 算法在长方形输送带断面中的图像重建 49 5.4 ECT 在确定条件下对输送带接头的检测 …53 5.4.1 双面贴极板情况53 5.4.2 改进极板分布情况…55 5.5 结果分析 57 5.6 本章小结 57 结论 …59