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工程硕士学位论文

一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计

刘德华

哈尔滨理工大学

2016年月 TP316.2

工程硕士学位论文

一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计

硕士研究生:刘德华导师:李兰副导师:

刘华申请学位级别:工程硕士工程领域:计算机技术所在单位:潍坊工商职业学院答辩日期:2016年6月授予学位单位:哈尔滨理工大学 ClassifiedIndex:TP316.2

DissertationfortheMasterDegreeinEngineering

ResearchandDesignofaNewElectricalCapacitanceTomographyDetectorSystem

Candidate:Supervisor:ViceSupervisor:AcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ComputerTechnologyDateofOralExamination:,2016University:HarbinUniversityofScienceandTechnology保密,在年解密后适用授权书.

不保密√.

(请在以上相应方框内打√)

作者签名:日期:年月日

导师签名:日期:年月日

一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计

摘 要

电容层析成像技术(ECT)是一项基于电容敏感原理的过程层析成像技术.

关 键 词,现场可编程门阵列,, 目录

摘 要I

第1章绪论1

1.1课题研究的背景和意义1

1.2电容层析成像技术的研究现状与展望2

1.2.1国外研究现状与应用2

1.2.2国内研究现状与应用4

1.2.3发展展望5

1.3课题的来源及研究内容6

1.3.1课题来源6

1.3.2课题的主要研究内容6

第2章相关技术概述8

2.1电容层析成像技术的原理与组成8

2.1.1电容传感器系统9

2.1.2数据测量与采集系统11

2.1.3成像系统11

2.2现场可编程门阵列12

2.2.1FPGA工作原理12

2.2.2FPGA的基本结构13

2.2.3FPGA开发流程16

2.3本章小结18

第3章ECT系统多电极激励方法分析与研究19

3.1引言19

3.2电容层析成像技术微电容测量原理19

3.3ECT三电极激励方法研究22

3.4不同电极激励方式的灵敏场仿真与分析24

3.4.1单电极激励下的仿真计算25

3.4.2三电极激励下的仿真计算26

3.4.3不同电极激励方式下的仿真计算27

3.5本章小结28

第4章基于FPGA的ECT探测器系统研究与设计29

4.1ECT探测器系统总体概述29

4.2影响ECT探测器系统实时性因素30

4.2.1交流电容/电压(C/V)转换电路31

4.2.2相敏解调电路32

4.2.3ECT测量系统各环节所用时间33

4.3基于FPGA的改进型数据测量与采集系统34

4.3.1基于FPGA的信号发生器设计35

4.3.2传感器极板控制电路设计37

4.3.3数字解调电路设计40

4.4ECT探测器系统整体设计43

4.5本章小结44

第5章仿真及实验结果分析46

5.1基于三电极激励双电极检测的C/V转换电路线性度实验46

5.2静态电容测量实验48

5.3基于FPGA数字解调系统性能分析50

5.4本章小结52

结论53

参考文献55

致谢61

个人简历62

绪论

课题研究的背景和意义

电容层析成像技术(ElectricalCapacitanceTomography,ECT)是借鉴于医用CT发展而来,一项基于电容敏感原理的过程成像技术.

综上所述,研究新型的ECT探测器系统,优化数据检测与采集电路,对于提高图像重建精度具有深远的意义.

等.

电容层析成像技术的研究现状与展望

国外现状80年代末英国曼彻斯特大学提出电容层析成像技术(ECT),这是一种新的计算机层析成像技术[1],流动层析成像技术以该技术为重要方向和研究热点,近几年来国内外的研究人员就ECT的应用以及应用过程中出现的情况进行一系列的分析,对其做了大量的科研工作,电容层析成像技术的研究已经取得了相当丰硕的成果,理论研究和实验研究及应用已经在相关领域全面展开[2].

等.

国内研究现状与应用

目前在我国,华北电力大学刘石教授在含能量材料浇注过程成像,脉动热管成像识别和换热特性[40,41],循环床两相流固体浓度场测量的研究均将ECT技术融入进去,天津大学王化祥教授进行了ECT和ERT相结合的双模态的成像研究的工作[42],东北大学邵富群教授在进行粮仓湿度的测量研究中采用ECT技术[43],广西大学赵进创教授进行煮糖罐糖膏浓度测量的时研究采用电容电阻方法,浙江大学的李海青,黄志尧教授根据外国成功经验采用ECT技术进行油气的测量研究并有一定的创新[44,45].

东北大学邵富群教授在进行粮仓湿度的测量研究中采用ECT技术[42]250-300,广西大学赵进创教授进行煮糖罐糖膏浓度测量的时研究采用电容电阻方法,浙江大学的李海青,黄志尧教授根据外国成功经验采用ECT技术进行油气的测量研究并有一定的创新.

等.

课题的来源及研究内容

课题来源

本课题受国家自然科学基金等项目资助.

课题的主要研究内容

电容层析成像技术以其生产价格低廉,整体结构简单,工作安全性能高等优点被人们广泛采用,但它毕竟还是一门新兴的技术,从技术层面角度看还有很多方面要进行完善和发展.本课题以16电极电容层析成像系统为研究对象,就ECT电容传感器的电极激励方式,数据测量与采集系统进行深入研究.本论文研究内容主要有以下几个方面组成.

1.对已有的ECT系统进行分析与研究对现有的ECT技术的系统构成和工作原理及其特点和不足进行深入研究,为以后的研究做好准备.

2.对ECT系统电极激励方法进行研究由于ECT探测器系统的图像重建是以有限量的数据重等.

3.基于FPGA的ECT数据采集系统设计ECT探测器中的数据采集系统将以现场可编程门阵列(FPGA)为核心等.

4.研究一种新型的ECT探测器系统新型的ECT探测器系统在充分地考虑工业具体应用中的被测容器等.

5.验证和总结在本系统设计完成等.

相关技术概述

电容层析成像技术的原理与组成

电容层析成像技术的工作原理是根据被测容器内的混合物中每一项的相对介电常数均不相同的情况,当混合物中的一项介质的分布或者浓度产生变化时,这将使混合物的相对介电常数发生了变化,由此一来将使在被测容器外部测量电极对所测得的电容数据产生一定的变化.

图2-1为电容层析成像系统结构示意图.由图可知ECT系统主要由阵列式电容传感器,数据采集系统和成像计算机三个部分构成.ECT探测器系统首先用电容传感器测量被测容器的电容值,然后将数据传送至数据采集系统,数据采集系统对传送过来的投影数据进行转换,放大,解调与滤波,之后通过通信接口传送给成像的PC机,成像的PC机采用相适应的图像重建算法进行图像的重建并将其显示.

图2-1电容层析成像系统构成图

电容传感器系统

多电极电容传感器是指在绝缘容器或者管道外侧均匀的安装一组电极极板.从ECT技术诞生到现在,多电极电容传感器的结构也是在不断的改进,到现在已经研制出多种传感器结构[47].

因为每个工业现场的实际应用情况不同,测量的混合流体构成也不尽相同,所以研究人员根据此情况将ECT电容传感器按布置方式划分了四种结构.这四种布置方式都有自己的优点与此同时也存在一定的不足,具体运用哪一种布置方式的电容传感器要依据具体的试验环境,应用的条件,所测的流体流行来进行合理选择.如表2-1所示,为不同布置方式的电容传感器的特点,不足以及适宜的应用场合.

表2-1不同结构ECT传感器的特点

结构形式优点不足应用场合外置有隔离电极零点电容较小,与被测物质无接触受管壁电容影响,制作困难流化床分析,管道中石油的测量,水锤监控内置无隔离电极灵敏度较高,便于制作电极极易积累静电荷,与被测物质接触流化床分析,火焰探测,油/气/水测量外置无隔离电极结构简单,成本低,便于制作,与被测物质无接触受管壁电容影响,零点电容比较大喷临床监控,气力的运输内置有隔离电极零点电容较小,不受管壁电容影响,灵敏度较高电极极易积累静电荷,制作困难,与被测物质接触火焰探测数据测量与采集系统

数据测量与采集系统是ECT探测器系统的重要组成部分在设计数据测量与采集系统时主要要考虑以下几个方面的因素:

1.应当拥有一个比较大的动态检测电容范围与此同时线性度一定要好,

2.应当具有比较较强的对杂散电容抑制的能力,

工程硕士学位文,工程硕士文参考属性评定
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3.要具有高效的,彻底的滤除系统固有的电容值和耦合电容值的系统,

4.ECT数据采集系统整体要具有快速性,实时性的特性.

等.

现场可编程门阵列

可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice,PLD)是一门新兴的科学技术,它起源于20世纪70年代等.

FPGA工作原理

FPGA在工作时其片内的RAM是要被编程的,研发人员可以根据具体工作环境的配置模式来采用

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9981;一样的编程方式.在对FPGA进行操作时有以下四种配置模式可供选择.

1.并行模式该模式是运用并行的PROM,Flash来配置FPGA,

2.串行模式这个模式是用串行的PROM来配置FPGA,

3.主从模式此模式是用一片PROM来配置多片的FPGA,

4.外设模式将FPGA作为微处理器的外设然后由微处理器对其进行编程.

FPGA的基本结构

等.

本章小结

本章对电容层析成像(ECT)技术和现场可编程门阵列(FPGA)技术分别进行了极为细致的阐述等.

ECT系统多电极激励方法分析与研究

引言

由于ECT图像的重建是以有限数量的检测数据来求解的问题,因此在电容测量时即使出现一个很微小的误差也会对图像重建造成很大麻烦.等

电容层析成像技术微电容测量原理

ECT探测器中的多电极电容传感器的构成是在传感

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