在工业生产中人们需要了解密闭容器或管道内部的情况，来对工业过程进行控制、计量和分析。过程成像是获取密闭容器或管道内部信息的一种重要手段。电容层析成像（ECT）是过程成像的一种，具有结构简单、易于安装、成本低、速度快、无辐射安全等优点，被广泛应用于石油、化工、电力、冶金、建材等工业领域中。传统的ECT系统通常在被测管道上只布置单层极板，重建结果以二维断层图的形式给出。ECT传感器的敏感场是分布在三维空间的，因此给出的二维断层图实际上是敏感场轴向平均的结果。直接三维ECT系统需要在管道上布置多层极板，三维图像直接在重建过程中产生，其研究是极具科学和实际意义的。本文对针对直接三维ECT技术的几个关键问题展开了理论研究与实验研究。本文的主要工作及贡献如下：灵敏度计算是ECT重建必不可少的环节。由于直接三维ECT传感器结构复杂，用传统方法获取其灵敏度分布的计算时间非常长。为加快研究进程，本文采用一种基于电场强度的灵敏度计算方法（简称电场强度法）来获取三维ECT传感器灵敏度分布。并尝试通过灵敏度预处理减少重建误差。仿真研究表明，传统计算法和电场强度法获得的灵敏度矩阵和所对应的重建结果很接近，均可用于三维ECT重建，但后者的计算时间只是前者的1.5%；灵敏度预处理可使重建误差有一定程度的降低，且不占用重建时间，因此灵敏度预处理有进一步研究的价值。ECT的成功应用依赖于重建算法的精度和速度。由于介电常数分布与电容值之间的非线性关系，通常只有迭代类算法方可获得较高的重建精度。Landweber迭代法是最广泛使用的ECT重建算法，但它用于三维ECT重建时，需要的迭代次数非常多且重建图像中常含有大量伪迹。为此本文提出三种重建新算法。1）带阈值处理的加速Landweber迭代法，该方法在目标函数中引入加速项来加快算法的收敛速度，并在迭代过程中使用自适应阈值滤波减少低灰度级的伪迹；2）带模糊阈值滤波的Landweber迭代法，该方法在迭代过程中使用模糊阈值滤波减少伪迹；3）多元线性回归建模的加速Landweber迭代法，该方法用多元线性回归法建立三维ECT正问题模型，在目标函数中引入加速项来加快算法的收敛速度，在迭代过程中使用阈值滤波减少伪迹。仿真和实验结果验证了所提算法的有效性，多元线性回归法建立的三维ECT正问题模型模化精度较高。传感器的结构参数会对传感器的性能产生影响，进而影响重建图像的质量。本文研究了有限元建模时管道长度和屏蔽罩长度对极板电容值的影响，分析了屏蔽罩与管道间距以及屏蔽环与极板间距离对极板电容值的影响。在极板覆盖区域固定的条件下，研究了极板间距对传感器性能和重建误差的影响。研究结果表明，极板间距越小，电容值和电容值的动态范围越大，敏感场的均匀性越好；但是极板间距变化时对灵敏度正问题模化误差影响不大；随着极板间距的增加空间图像误差和体积误差减少，但相对图像误差和相关系数变化不大。本文使用基于阻抗分析仪的直接三维ECT成像系统，实现了微小电容的测量、采集和存储。采用该系统获取了字母U、L和H的电容实验测量数据，用于本文所提出的三种重建算法的实验验证。