ERT（Electrical Resistance Tomography）技术具有成本低、非侵入性、可视化的特点,是两相流检测中最具前景的研究课题之一。目前对ERT系统的研究集中在二维空间,对三维空间的研究较少。但是,对于离散相的几何形状、相对位置和空间分布等三维信息的需求越来越迫切。为了实现对被测敏感场的三维可视化检测,需要对三维ERT技术进行研究。本文以ERT技术为研究背景,以有限元分析软件ANSYS、流体分析软件FLUENT为研究平台,以数值模拟仿真及物理实验验证为研究方法,在研究三维ERT系统正问题求解基础上,探索性研究了三维ERT系统的多层组合激励方法及多层阵列极板的综合优化方法响应面优化法;在传统的二维图像重建基础上,改进图像重建算法完成真三维直接图像重建,并对优化结果进行了仿真与物理实验验证。本文主要完成如下工作:（1）在“似稳场”假设的基础上,建立了三维ERT系统的数学模型,研究了基于有限元方法推导系统方程以及计算系统电势值分布的方法,完成了对三维ERT系统正问题的求解。（2）基于ANSYS有限元分析方法求解三维ERT系统正问题,确定3层8极板的传感器的模型,针对多层阵列电极的传感器结构,提出一种新型的激励方式:多层极板组合激励方式,研究多层极板的激励层数和多层电极的结构参数对传感器性能的影响。（3）针对正交试验法在三维ERT传感器结构优化的局限性,研究了基于均匀设计的多目标优化方法和响应曲面优化方法,针对传统的响应面法存在的模型匹配度不高的问题,优化响应面模型并对模型的可行性和准确性进行验证,对优化方法的结果进行综合对比分析。（4）针对现有ERT插值算法难以满足三维ERT系统成像需求的问题,提出一种能够实现真三维ERT直接成像的图像重建算法。同时,针对三维测量时空间灵敏度系数矩阵计算维数增加、计算量剧增等问题,改进灵敏度系数矩阵计算方法,使其获取速度提高10倍以上;将Tikhonov正则化迭代算法使用迭代收敛阈值方法,使其在迭代过程中自动计算门限阈值,提高重建质量10%左右。（5）验证实验结果。基于FLUENT流体分析软件的MHD和UDS模块实现流场-电场相耦合,模拟气液两相流在竖直管道中的流动过程,得到流动状态下的仿真结果。同时,在实验室条件下,采用三维ERT系统进行物理实验,对比流动仿真实验、物理实验与静态仿真实验的系统输出,结果表明三者结果相符,可以满足实际检测需要。本文设计了一种三维ERT系统,对优化后的多层阵列电极传感器进行仿真与物理实验验证,优化后的三维ERT系统成像相关系数在0.7以上。