ERT(Electrical Resistance Tomography)技术具有低成本、非侵入、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,对三维空间的研究甚少。但是,多数情况下需要得到离散相的几何形状、相对位置和空间分布等三维信息。为了实现对被测物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,以阵列电极为分析研究对象,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 ERT系统的多层阵列极板多目标优化方法及三维直接成像算法,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系统数学模型,论述了基于有限元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)针对三层阵列电极的ERT系统传感器的同层阵列电极与非同层阵列电极,基于ANSYS有限元仿真软件,分析了阵列电极尺寸、层间距、屏蔽层厚度等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,研究了基于模糊数学的正交优化法与基于均匀设计的多元非线性回归法等多目标优化算法,对传感器的结构参数进行综合优化并对优化结果进行对比分析。(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。(5)为了模拟实际动态检测,进行了数值仿真实验。采用FLUENT流体分析软件模拟竖直管道中气液两相流流动,得到不同流型下三维ERT系统的输出变化;为了验证了三维ERT系统传感器的优化结构,对比优化前后的重建图像质量;为了测试在实验室条件下,采用三维ERT系统进行物理实验,对比物理实验与仿真实验的系统输出,结果表明两者结果相符,可以满足实际检测需要。本文设计了一种三维ERT系统,对优化结构参数的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0.6以上。