基于电容层析成像的季冻土性态识别装置及识别方法制造方法及图纸

基于电容层析成像的季冻土性态识别装置及识别方法。无论是以低温箱环境温度作为试样的温度，还是以温度传感器监测的温度作为试样温度传感器，都存在一定的弊端，前者温度失准，后者试样受扰动。本发明专利技术包括：单向冻结系统、电容采集系统、层析成像系统；所述的单向冻结系统的冻结装置（5）安装于试样（7）的顶部，通过所述的冻结装置对试样进行从上到下的单向冻结；所述的试样位于所述的电容采集系统内，通过所述的电容采集系统采集到不同的电容量。本发明专利技术用于季冻土性态识别。用于季冻土性态识别。用于季冻土性态识别。

Recognition device and method of permafrost behavior based on electrical capacitance tomography

【技术实现步骤摘要】
基于电容层析成像的季冻土性态识别装置及识别方法


[0001]本专利技术涉及一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置及识别方法。

技术介绍

[0002]温度作为影响季冻土性的主要因素之一，微小的温度差异都会造成特性的不同，因此能够精准的测试试样温度，对季冻土试验尤为重要，现有关于季冻土试验中温度的测试，主要有两种方式，一是将试样直接置于低温箱中，根据低温箱设定的温度，等效为试样的温度；二是将温度传感器布置于试样内部，监测试样的温度；然而这两种测温方法均存在明显的弊端。
[0003]第一种测温方法将低温箱的温度等效为试样的温度，低温箱设定的温度并不能代表试样的温度，并且已有试验表明，试样放入低温箱，会对低温箱温度产生较大的影响，表现出“上冷下热，高冷低热、前热后冷”，并且即便试样表面达到目标温度，但是试样内部并没有达到目标温度，即出现“外冷芯热”的现象。
[0004]第二种测温方法通过试样内部的温度传感器实时监测试样的温度，虽然能够较准确的测试试样的温度，但是温度传感器探针只能监测指定位置点的温度，并不能全方位监测试样整体的温度，如果布设多个传感器，势必会对试样产生较大的扰动，严重影响季冻土的特性，并且布设多组传感器本身在季冻土试验中就不易实现。
[0005]因此，无论是以低温箱环境温度作为试样的温度，还是以温度传感器监测的温度作为试样温度传感器，都存在一定的弊端，前者温度失准，后者试样受扰动；二者均对季冻土特性产生较大影响，探索一种无损、精确的温度监测发方法对季冻土特性的快速识别具有重要意义。<br/>
技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了提供一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置及识别方法。
[0007]上述目的通过以下方案实现：一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，其组成包括单向冻结系统、电容采集系统、层析成像系统；所述的单向冻结系统的冻结装置安装于试样的顶部，通过所述的冻结装置对试样进行从上到下的单向冻结；所述的试样位于所述的电容采集系统内，通过所述的电容采集系统采集到不同的电容量。
[0008]所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，所述的电容采集系统包括有机玻璃模型，在所述的有机玻璃模型的外壁均匀非闭合对称布设正负电极板，在所述的电极板的外围用苯乙烯
‑
苯板包裹，在所述的苯乙烯
‑
苯板的外围包裹一层屏蔽罩。
[0009]所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，均匀非闭合对称布设于所述的
有机玻璃模型外壁的电极板，其中一侧为正极板，一侧为负极板。
[0010]一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，该方法包括如下步骤：ECT成像数学模型，由于季冻土的相变过程表现为固
‑
液两相流；因此设其两相流的离散相和连续相的介电常数分别为和，体积分别为V1和V2，且离散相均匀分布在连续相中，因此两相流体的等价介电常数为： (1)式中，V 为两相流的总体积，且，则由式(1)可得：
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(2)定义离散相的浓度为：
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(3)可计算出电容测量值C 为：
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(4)式中，K为特征常数，由电容尺寸决定，电容测量值C 可作为浓度的测量依据；假设在极板长度的范围内，管道中每个截面介质的形态分布相同，由电力学基本原理，电容C
j
可以表示为：
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(5)式中，j 代表极板号，D 为管道内部截面， (x, y) 则代表管道内部截面电介质分布函数，S j
(x, y, (x, y))为极板间电容C
j
的灵敏度分布函数；介质分布对灵敏度分布函数影响很小，式(5)可表示为：
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(6)式中，S j
(x, y) 为极板间电容C
j
的灵敏度函数。
[0011]所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，所述的ECT图像重建原理为：为第k个微分单元的介电常数，表示其他微元的介电常数，则管道内介质分布图像像素点的灰度的计算公式表示为：
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(7)结合图像灰度的相关定义可将介质分布与图像灰度联系起来，从式(2)和式(3)可以得到：
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(8)式中，连续相和多相流在点 (x, y)处的体积为V2和V，定义的灰度f (x, y)反映了在点(x, y)处的连续相含率，如果用灰度向量F
ꢀꢀ
[ f
1 , f 2 , , f E
]T 表示整个管道内E个微元像素的灰度值，f
i
[0,1]，用投影向量P
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[ p
1 , p
2 , , p
n
]T
表示n个投影值，其中p j C
rj
( j1, , n)，则有如下式成立：
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(9)式中：W 为与管道内敏感场分布相关的灰度向量的权系数矩阵。
[0012]所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，所述的在单向冻结作用下，试样在不同高度处表现为不同的冻结温度，也就产生不同的电容值，建立电容
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温度模型，见公式(10)，重构温度场算法公式，见公式(11)
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公式(15)，推导温度场
‑
电容算法公式，基于温度场的离散分布点，通过插值算法实现ECT层析成像，推导过程如下：
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(10)
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(11)
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(12)
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(13)
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(14)式中：C 为试样电容值，pF；C1、C0为随试验装置、电极板规格及材质、土样等条件不同而变化的参数；T和T0分别为试样温度以和参考温度，若相邻两对电极i和j 测得的电容分别为C
i
和C
j
，根据式(14)可以计算得出对应位置处的温度值T
i
和T
j
。
[0013]根据温度实测数据，试样内部温度沿深度方向呈线性分布，试样内处于两对电极板间任意位置k 处的温度值T
k
便可以通过线性插值得出，计算示意图如图所示，插值公式见式(15)：
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(15)式中，h
i
、h
j
和h
k
分别为土样内i、j、k 处的深度。
[0014]所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，基于温度
‑
电容模型，结合插值连续性算法，在仅测试电容的情况下识别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，其特征是：其组成包括单向冻结系统、电容采集系统、层析成像系统；所述的单向冻结系统的冻结装置安装于试样的顶部，通过所述的冻结装置对试样进行从上到下的单向冻结；所述的试样位于所述的电容采集系统内，通过所述的电容采集系统采集到不同的电容量。2.根据权利要求1所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，其特征是：所述的电容采集系统包括有机玻璃模型，在所述的有机玻璃模型的外壁均匀非闭合对称布设正负电极板，在所述的电极板的外围用苯乙烯
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苯板包裹，在所述的苯乙烯
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苯板的外围包裹一层屏蔽罩。3.根据权利要求1所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，其特征是：均匀非闭合对称布设于所述的有机玻璃模型外壁的电极板，其中一侧为正极板，一侧为负极板。4.一种权利要求1
‑
3之一所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，其特征是：该方法包括如下步骤：ECT成像数学模型，由于季冻土的相变过程表现为固
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液两相流；因此设其两相流的离散相和连续相的介电常数分别为和，体积分别为V1和V2，且离散相均匀分布在连续相中，因此两相流体的等价介电常数为：
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(1)式中，V 为两相流的总体积，且，则由式(1)可得： (2)定义离散相的浓度为：(3)可计算出电容测量值C 为：
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(4)式中，K为特征常数，由电容尺寸决定，电容测量值C 可作为浓度的测量依据；假设在极板长度的范围内，管道中每个截面介质的形态分布相同，由电力学基本原理，电容C
j
可以表示为：(5)式中，j 代表极板号，D 为管道内部截面， (x, y) 则代表管道内部截面电介质分布函数，S j
(x, y,
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(x, y))为极板间电容C
j
的灵敏度分布函数；介质分布对灵敏度分布函数影响很小，式(5)可表示为：
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(6)式中，S j
(x, y) 为极板间电容C
j
的灵敏度函数。5.根据权利要求4所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，其特征是：所述的ECT图像重建原理为：为第k个微分单元的介电常数，表示其他微元的介电常数，则管道内介质分布图像像素点的灰度的计算公式表示为：
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(7)结合图像灰度的相关定义可将介质分布与图像灰度联系起来，从式(2)和式(3)可以得到：
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(8)式中，连续相和多相流在点 (x, y)处的体积为V2和V，定义的灰度f (x, y)反映了在点(x, y)处的连续相含率，如果用灰度向量F
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘添华，郁宇，王淼，
申请(专利权)人：黑龙江工程学院，
类型：发明
国别省市：