两相流参数的在线检测,对工业生产过程具有重要意义。但是,两相流流动特性复杂,很难进行准确测量,ECT（Electrical Capacitance Tomohgraphy）技术以非侵入无损伤、安全性高及可视化的优点被广泛研究应用于多相流检测领域。针对传统二维ECT及间接三维ECT系统测量精度低,无法获得三维信息如空间位置、几何形状的问题,为了实现高质量三维可视化检测,对直接三维ECT技术进行深入分析研究是必要的。本文以ECT技术为研究背景,以有限元分析软件COMSOL为研究平台,以三维ECT传感器为研究对象,以数值模拟仿真及物理实验验证为研究方法,提出以成像质量为优化指标,研究了直接三维ECT系统。针对三维ECT相邻层及相间层极板对电容值低、电容测量范围大的问题,本文研究三维ECT正问题求解方法基础上,从三维ECT传感器的激励模式及优化设计方法,三维ECT投影数据预处理方法及重建算法等方面进行研究,提出了三维ECT的多电极激励的模式、基于响应面法的三维ECT传感器多目标优化设计方法;提出了改进归一化算法的投影数据预处理算法,并提出了基于自动调阈值Landweber迭代算法的三维直接成像算法。本文主要完成如下工作:（1）基于COMSOL多物理场有限元仿真软件和MATLAB脚本文件实现三维ECT系统的快速建模,论述了利用有限元法计算电容值、敏感场分布的方法实现正问题的求解计算。（2）针对传统单电极激励模式敏感场均匀性差、测量数据少等问题,提出新型多电极激励测量模式,改善了敏感场分布的均匀性,增加投影数据量,提高重建图像效果。（3）针对三维ECT传感器结构的不确定性,在有限元仿真研究的基础上,分析了四种普遍应用的2×4、2×6、3×4、3×6（M*N,M为层数,N为每层极板数）三维ECT传感器结构的优缺点,提出了传感器基准模型;分析了三维ECT传感器各结构参数对传感器灵敏场及优化指标的影响,并确定传感器的关键结构参数;针对三维ECT系统成像的需求,综合考虑相关系数、空间图像误差等反映图像重建质量的指标,并与敏感场均匀性共同作为图像重建的优化目标,基于响应面法实现了三维ECT传感器的优化设计,使重建图像的相关系数提高10%以上。（4）针对ECT现有二维成像和插值算法成像难以准确反映介质分布情况,首先研究了数据预处理方法,改进了三维图像投影数据的归一化算法;在研究直接线性反投影算法和Landweber迭代算法基础上,提出了一种具有自动阈值Landweber迭代算法的直接三维图像重建算法。实验表明,改进的三维直接成像算法对不同流型成像时,能够使重建图像的相关系数提高10%左右,甚至达到15%以上。（5）为了验证动态条件下系统的检测能力,在多物理耦合（流场-静电场）条件下模拟,建立了竖直管道中气液两相流的数学模型,利用COMSOL多物理耦合软件模拟仿真竖直管道中气液两相流流动过程,并针对不同流型研究三维ECT系统的输出变化;对优化后的传感器结构、改进的激励测量模式及图像重建算法进行仿真验证,对比优化前后的重建图像质量;在实验室条件下,根据优化设计结果制作传感器进行实验验证,对比物理实验和仿真实验的系统输出,结果表明两者结论相符,可以满足实际测量的需求。