（检测技术与自动化装置专业论文）ert数据采集系统的优化与模块化设计.pdf

中文摘要 电阻层析成像技术是过程层析成像技术的一个分支，是电阻抗层析成像技术 的一种简化形式，具有非侵入、无辐射、在线测量等优点。在地质勘探、工业过 程与环境监测等方面有许多成功应用。 实际工业环境中，两相多相流体具有较高的流动速度，而目前的电阻层析 成像系统，很难满足工业上的速度要求，为解决这一问题，还有许多实际问题需 要完成。目前天津大学层析成像课题组的t e r t - 4 型系统实时性比较差，数据采 集速度大约为5 0 幅秒，不能满足过程测量需要。而且由于采用分离式电子线路 设计结构，电路极其不稳定，需要进行反复调试，给实验带来了很大困难。本论 文为解决t e r t - 4 型系统数据采集速度慢，稳定性、可靠性差的问题，进行了e r t 数据采集系统的模块化设计。 作者在本课题中完成的工作如下： 1 设计了基于高速数字i o 卡和高速a d 转换卡的e r t 数据采集系统，分 别采用高速数字i o 卡和a f t ) 转换卡作为数据采集系统的控制模块和数据采集通 道，完成了硬件平台的设计，该系统包括信号发生、电极传感器阵列、数据处理、 数据采集、信号背板等部分，采用自定义总线，模块化设计。对系统中滤波环节 进行了仿真。 2 编写了驱动程序，程序包括产生所需波形，控制电极选通，设置差动放大 倍数，a d 转换等。对各模块和系统整体进行了调试，对各个模块的性能进行了 测试和验证。包括产生信号的稳定性，带通滤波、压控电流源的可靠性，电极选 通策略的可行性和正确性等。 3 在系统调试成功的基础上，单截面1 6 电极的垂直管道内注入盐水，进行 了模拟场静态实验，包括单一介质场和不同介质分布场，并初步分析了实验数据， 得到了电势场分布，初步验证了系统的稳定、可靠性。 关键词：电阻层析成像实时性稳定性模块化设计 a b s t r a c t e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ( e r t ) i so n eo ft h ee m b r a n c h m e n t so fp r o c e s s t o m o g r a p h y i ti so n ek i n do fs i m p l i f i e df o r mo fe l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ( e i t ) e k th a sa d v a n t a g e so fb e i n gn o n - i n t r u s i v e ，n o n - r a d i a t ea n do n - l i n ev i s u a l m o n i t o r i n g m a n ya p p l i c a t i o n so fe r th a v eb e e nf o u n di ng e o e x p l o r a t i o n , m o n i t o r i n g o fi n d u s t r i a lp r o c e s s e sa n de n v i r o n m e n t a la r e a s 一 t w o m u l t i - p h a s ef l o wh a sah i g hs p e e di np r a c t i c a li n d u s t r i a lc i r c u m s t a n c e i ti s d i f f i c u l tf o re x i s t i n ge r ts y s t e mt om e a s u r et w o m u l t i - p h a s ef l o ww h i c hh a ss oh i g h s p e e di ni n d u s t r y m u c hp r a c t i c a lw o r kn e e dt ob ed o n et os o l v et h i sp r o b l e m n o w , t h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft e r t - 4e r t s y s t e md e s i g n e db y t o m o g r a p h yg r o u pi n t i a n j i nu n i v e r s i t yi sn o tv e r yg o o d , a n dt h ed a t aa u q a t i s t i o ns p e e di sa b o u t5 0f r a m e s e v e r ys e c o n d , a n di tc a nn o tm e e tt h en e e do f p r c c e s sm e a s u r e m e n t a n db e c a u s et h e d e s i g ns t r u c t u r ei ss e p a r a t e de l e c t r i cc i r c u i td e s i g ns t r u c t u r e ，t h ec i r c u i ti si n s t a b l e ， a n di tn e e dd e b u gr e p e a t e d l y , a n dt h e r ea r em a n yd i f f i c u l t si ne x p e r i m e n t t h i sp a p e r w i l ls o l v et h es l o wd a d aa c q u i s i t i o ns p e e d , b a ds t a b i l i t ya n d b a dr e l i a b i l i t yi nt e r t - 4 e r ts y s t e ma n dt h em o d e ld e s i g no fe r td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nf i n i s h e d t h ea c h i e v e m e n t si nt h et h e s i sa r ea sf o l l o w e d ： 1 t h ee r td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nh i i g hs p e e dd i g i t a li 0c a r da n dh i g h s p e e da dc o n v e r tc a r dh a sb e e nd e s i g n e d h i g hs p e e dd i g i t a li oc a r da n dh i g hs p e e d a dc o n v e r tc a r da r eu s e da st h ec o n t r o lc h a n n e la n dd a t aa c q u i s i t i o nc h a n n e li nd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mr e s p e c t i v e l y ah a r d w a r ep l a t f o r mo fe r ts y s t e mi sr e a l i z e d t h e s y s t e mc o n s i s t so fe x c i t i n gs i g n a ls o u r c em o d u l e ，s i g n a lg e n e r a t o rm o d u l e ，d a t a p r o c e s s i n gm o d u l e , a n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea sw e l la ss i g n a lb a c k b o a r d t h e s y s t e mi ss e l f - d e f i n e db u s ，u s i n gm o d u l a t i o nd e s i g n 2 ap r o g r a mw r i t t e nb yc hi sa c h i e v e d g e n e r a t i n gw a v e s t y l e ，c o n t r o l l i n gt h e e l e c t r o d e c h o i c e ，s e t t i n g t h ea m p l i f y i n g m u l t i p l e a n da dc o n v e r s i o na r ea l l c o n t r o l l e db yp r o g r a m s e v e r ym o d u l ea sw e l la st h ew h o l es y s t e mi sd e b u g g e d 。t h e f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo fe v e r ym o d u l ei st e s t i n ga n dv e r i f y i n g ，i n c l u d i n gt h e s t a b i l i t yo ft h es i g n a l s ，t h er e a l i b i l i t yo ft h eb a n d - p a s sf i l t e r , t h er e a l i b i l i t yo ft h e v o l t a g ec o n t r o l l e dc u r r e n ts o u r c e ，t h ef e a s i b i l i t ya n dt h ev a l i d i t yo ft h ee l e c t r o d e c h o i c e ，a n ds oo n 3 a f t e rt h es y s t e mh a sb e e nd e b u g g e ds u c c e s s f u l l y , b r i n eh a sb e e ni m m i t e dt ot h e p i p ew i t h 16e l e t r o d e sd i s t r i u t e di nas e c t i o n , a n dt h e nt h es t a t i cm o d e lf i e l d e x p e r i m e n th a sb e e nd o n e ，i n c l u d i n gs i n g l em e d i af i e l da n dd i f f e r e n tm e i d af i e l d a n d t h ed a t ah a sb e e na n a l y z e ds i m p l y , t h ev o r a g ed i s t n b u t i o nh a sb e e nd e d u c e d ，a n dt h e s m b f l i t ya n dt h er e a b i l i t yo f t h es y e t e mh a v eb e e nv e r i f i e d k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y , m o d u l a rd e s i g n ，r e a l - t i m e ， s t a b i l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞婆太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：奄多午 答字日期如刁年乡月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：夸；率 签字日期：二刁年石月垆日 聊獬：翻 签字日期：少州7 年占月t 丫日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 过程层析成像技术原理 过程层析成像技术( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称p t ) 是二十世纪八十年代中 期，随着计算机技术和检测技术的进步，正式形成和迅速发展起来的新一代过程 参数检测技术【1 】【2 】吲；是以两相流或多相流为主要研究对象的过程参数二维或三 维分布状况的在线实时检测技术【3 】；采用非侵入或非接触方式测量，能在线连续 的提供二维或三维的可视化信息，并可经过进一步处理提取若干有关被测流体的 特征参数。过程层析成像技术( p t ) 是医学诊断中的计算机层析成像 ( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，简称c t ) 技术在工业过程中的“移植 州1 5 j 。 过程层析成像技术的原理是，运用传感器阵列形成空间敏感场，对管道中或 容器内部的两相或多相流体的流动状况从不同的观测角度进行测量，获得被测物 场的时空分布信息，经过信号处理后，通过定性或定量的图像重建算法重建出被 测物场的二维或三维流动图像【6 】。通过对重建图像信息的分析以及不同时刻下重 建图像信息的比较，获得被测物场的分布状态及其运动变化特征，如两相管流的 流动形态等。有时，还要根据从重建图像信息中提取出的特征参数，按照有关的理 论模型发出相应的控制信号，以实现对被观测过程的调节。 自从1 9 7 2 年英国人h o u n s f i e l d 研制成功第一台c t 机不久【7 1 ，就有人尝试将 c t 技术移植到工业现场的多相流检测中来。例如，b a n h d z e r 等将x c t 技术应 用于流化床的检测和流动成象【s j 。v i n g c r 等将x - c t 技术应用于油气水多相流的 研究中【9 】。m i l l e r 等在气体喷射水力旋流器浮选工艺中，将x c t 应用于多相流 颗粒分布状态及流型状况分析，并在实验室中采用高速x 射线c t 系统提供在线 洗煤分析信息【埘。s c h m i t z 等用3 6 0 k vx 射线管，实现气液两相流在不规则结构 体内流型的辨识【l l j 。然而，由于当时是采用了x - 射线和核磁共振成象这样的系 统，构造复杂，价格昂贵。再加上当时微电子技术水平的限制，使得大量数据的 实时处理和图象的实时重建成为难以逾越的障碍，造成这一探索性研究的发展步 履艰难。 p t 技术的特点在于 它将传统的对过程参数的单点、局部的测量，发展为 多点、截面分布式的测量；它在不破坏、不干扰流体流动的情况下，获得管道或 设备内部两相多相流体的二维- - 维分布信息；为在工业条件下对基于热动力学、 第一章绪论 反映动力学和流体动力学原理建立的过程、设备模型的证实提供一种方便的手 段；还可以优化过程设备及装置的设计，改进过程工艺，实现两相多相流体输 送，反映复杂生产过程的调整与控制提供全面、准确的信息和辅助的研究手段【1 2 】。 1 2 过程层析成像技术发展 基于不同敏感性原理的过程层析成像技术包括：电磁辐射式p t 、超声式p t 和电学式p t 。而电学式p t 是利用流体的电特性来测量流体的分布情况，主要又 包括电容式、电阻式( 电导式) 、电感式等。电容式适合于对介电常数不同的非 导电体组成的混合物进行测量；电阻式主要用于连续相介质导电而离散相介质不 导电的混合物；用电感原理制成的传感器可以用来处理铁磁体和导电物质。 电学式p t 近几年里发展十分迅速。1 9 8 8 年，英国u m i s t 应用电阻层析成 像技术监视导电流体的研究工作，并在搅拌器和旋流器等试验装置上进行了应用 性研究【1 3 】。1 9 9 6 年，m a n n 等人在工厂中使用e r t 监测搅拌器的情况取得了很 好的效果。1 9 9 8 年英国l e e d s 大学的w i l l i a m sr a 教授以及d r w a n gm 等人以 自行开发的e r t 系统及相应的专利作为技术入股组建了“工业层析成像系统有 限公司”( i n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h yl t d i t s ) ，并推出了i t s 1 0 0 0 型e r t 系 统样机【1 4 】。2 0 0 3 年，a j w i l k i n s o n 研制出数据采集速度为1 0 0 0 幅秒的新型双极 性脉冲式e r t 数据系纠”】。在国内，对e r t 技术的研究开始于8 0 年代初期， 目前天津大学的p t 研究课题组，已经开发出可实时成像的e r t 系列样机，可采 用旋转平行或似平行磁场激励方式的电磁层析成像系统【1 4 】。浙江大学利用1 2 电 极电容层析成像系统，可同时实现气固流化床空隙率分布的在线显示和整体空隙 率测量。清华大学在图像重建算法的研究、东北大学在敏感场的研究上，均取得 了一定的成果。 电容层析成像是较早被研究的一种p t 技术，早在19 8 8 年英国曼彻斯特大 学理工学院研制成8 极板电容层析成像系统模型，采用简便反投影算法，用水和 沙子分别模拟两相流静态模型，取得初步实验结果，1 9 9 0 年该系统发展成为1 2 电极，并采用高速并行处理器件( i n m o s 公司生产的t r a n s p u t e r 晶片计算机) 的电 容层析成像系统，在油气混合流体实验装置上稳定运行。美国能源部也于1 9 9 0 年 研制成一种在线监测流化床内物料密度三维分布的电容层析成像系统，该传感器 阵列有四层，每层由1 6 个极板组成，系统能以6 0 - 1 0 0 幅秒速度重建图像。1 9 9 5 年英国过程层析成象有限公司推出了商品化的e c t 系统p l 2 0 0 ，该系统采样速 率为4 0 幅秒【1 6 1 。 9 0 年代初期，英国曼彻斯特大学理工学院( u m i s t ) 率先提出基于感应原理的 第一章绪论 电磁层析成像( e m t ) ，天津大学也于1 9 9 3 年底开始了此项研究，并己研究成功一 种原型系统f 1 7 】1 1 8 】。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题受国家自然科学基金重点项目“多模态过程层析成像关键技术研究” ( 批准号：6 0 5 3 2 0 2 0 ) 和天津市应用基础研究计划项目“基于多传感器数据融合 两相流量计研究”( 批准号：0 5 y f j m j c l l 6 0 0 ) 的支持。天津大学过程层析成像 课题组目前的t e r t - 4 型系统数据采集速度比较慢，大约5 0 幅眇，不能满足变 化过程较快的过程测量需要。而且由于采用分离式电子线路设计结构，电路极其 不稳定，需要进行反复调试，给实验带来了很大困难。作者在天津大学过程层析 成像课题组的研究成果基础上，为提高t e r t - 4 型系统的实时性、稳定性、可靠 性，设计了基于高速数字i o 卡和数据采集卡的电阻层析成像数据采集系统，分 别采用工业级高速数字i o 卡和a d 转换卡作为数据采集系统的控制模块和数据 采集通道。根据系统工作原理和流程编写了系统驱动程序，对各模块和系统整体 进行了调试和检测，测试了其性能。在调试好的系统上进行了模拟场静态实验， 包括单一介质场和不同介质分布场，并初步分析了实验数据，得到了电势场分布 图，验证了系统的可靠性。 1 4 本论文的组织结构 本论文各章安排如下： 第一章绪论。简单阐述过程层析成像( p t ) 技术，包括过程层析成 像技术的原理及技术发展；同时阐述课题来源和本课题的主 要研究内容和论文组织结构。 第二章电阻层析成像发展及研究成果。介绍了电阻层析成像的原理 及技术发展概况，研究方向及技术难点，阐述了电阻层析成 像的研究成果，分析了t e r t - 4 系统的结构与性能。 第三章基于高速数字i o 卡和数据采集卡的系统设计。介绍系统各 个模块的工作原理及具体实现。 第四章数据采集系统工作流程及系统调试。介绍系统总体软件设计 流程，阐述系统调试过程中遇到的问题及解决方案，对各模 块功能和性能进行了验证。 第五章实验结果及分析。在模拟管道内进行了静态实验，得到场内 第一章绪论 的电势分布， 统的可靠性。 第六章总结和展望。 建议和构想。 对实验数据进行了简单的处理和分析，验证系 针对系统设计、调试中出现的问题提出了改进 第二章电阻层析成像发展及研究成果 第二章电阻层析成像发展及研究成果 2 1 电阻层析成像原理及技术发展概况 早在上世纪初地球物理学领域出现电阻率成像( r e s i s t i v i t yi m a g i n g ) 技术， 用于勘测地球中的油岩层分布，做法是将电极置入大地，在一对电极上注入激励 电流，测量其它电极上的电位变化来获得地层电阻率分布。随着电子技术和计算 机技术的发展，生物医学研究者提出了圆形电极阵列的断层电阻率测量技术 ( t o m o g r a p h yr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ) 。2 0 世纪8 0 年代中后期医学 e r t 技术被移植于工业领域，成为过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 技术的 一种19 1 。 2 0 世纪7 0 年代，随着电子技术和计算机技术的发展，生物医学研究者提出 了圆形电极阵列的断层电阻率测量技术( t o m o g r a p h i er e s i s t i v i t ym e a g u r e m e n t t e c h n i q u e ) 。8 0 年代初，在临床和生物医学领域，电阻抗层析成像技术得到了极 高的重视，世界各地尤其是欧美对此领域进行了深入研究，医学e r t 不断地得 到改进，并得到了临床应用，如利用多频率谱方法( m u l t i - f r e q u e n c ys p e c t r o s c o p y ) 来检测病变组织等。但是同医学x 射线和磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ，m r i ) 相比，医学e r t 的空间分辨率比较低，因此并没有得到广泛认 可，不过作为医学诊断的辅助工具，人们并没有停止对医学e r t 的研究，目前 医学e r t 的研究已经可以获得三维图像【2 0 】【2 l 】。 为了促进欧洲电学成像技术的发展，1 9 9 0 年欧盟科技委员会拨款开展了一项 为期四年的e c a p t ( e u r o p e a nc o n c e r t e da c t i o no np r o c e s st o m o g r a p h y ) 计划；大大 促进了欧洲地区e r t 技术的发展，较为突出的是：慕尼黑大学研究的定量图像算 法，在在线辨识气液两相流流型实验中，其组分浓度的测量精度可达士2 ；英 国u m i s t 大学地电机工程系的e d i c k i n 完成了m k 1 b 系统，数据采集速度可达2 0 幅秒以上【2 2 1 1 2 3 1 。随后，1 9 9 5 年“f r o n t i e r si ni n d m t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ”的国 际性学术会议在美国加利福尼亚举行，第二次会议于1 9 9 7 年在荷兰d e l f t 召开； 1 9 9 9 年第一届世界工业层析成像技术大会在英国d e r b y s h i r e 召开，会议涉及系统 应用、图像重建算法、硬件系统开发和相关新技术四个主题，2 0 0 1 年第二届大会 在德国汉诺威举行，2 0 0 3 第三届会议在加拿大班夫成功举行，2 0 0 5 年第四次会议 在日本召开。国际交流与合作促进了p t 技术的发展，也带动了e r t 技术的发展。 英国u m i s t 大学在该技术领域首先做了大量研究，其研究成果主要表现在： 第二章电阻层析成像发展及研究成果 1 9 9 4 年开发出适用于金属容器的e r t 系统，拓宽了e r t 技术的适用范创2 4 】； 继m kl b ，1 9 9 8 年开发出的m k 2 b 系统，数据采集速率可达1 0 0 幅秒，数据 传输速率大于1 m b s t 2 5 j ；( 耍) 2 0 0 1 年开发出利用双极性脉冲电流源作为激励源的 电阻层析成像硬件系统，这一技术克服了常规直流激励源带来的介质电极化效 应，系统的运行速度快，为解决实时性提供了一种新的途径1 2 6 1 。 近几年该项技术处于领先地位的是英国l e e d s 大学。1 9 9 8 年英国u m i s t 开 发出的m k 2 b 系统数据采集率可达1 0 0 幅秒，数据传输率大于1 m b s 2 。7 1 ；2 0 0 1 年开发出利用双极性脉冲电流源作为激励源的电阻层析成像硬件系统设计的新 原理，这一技术克服了常规直流激励源时带来的介质电极化效应，系统的运行速 度快，为解决实时性提供了新的途径【2 引。在我国，对e r t 技术的研究开始于8 0 年代后期徐苓安教授带领的天津大学p t ( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 研究课题组。之 后国内一些单位也开展了该领域的研究：北京航空航天大学和东北大学的e r t 小组在算法上取得了很好的成绩；浙江工学院开发的电阻层析成像系统已用于土 壤大地测型2 9 】；天津大学的e r t 科研课题组，目前已开发出t e r t - 1 、2 、3 、4 型样机，其采样速率可达5 0 幅秒( 4 0 k n z ，10 4 点幅，模拟解调) 。其中t e r t - 4 型电阻层析成像系统已完成动态试验，为最终设计出工业实用化的系统积累了经 验【3 0 1 。2 0 0 5 年l e e d s 大学的基于d s p 的双截面e i t 系统数据采集速度可达l1 6 4 幅秒。 2 2 电阻层析成像研究方向 虽然p t 技术是医学工程中c t 技术在工业领域中的发展，由于测量对象、 测量目的以及运行环境的不同，使得p t 技术无论是在信息的获取方式和处理方 法上，还是在测量结果的解释和应用上与c t 技术有着显著的不同之处：p t 技 术所检测的物场常常具有非均匀性，而所采用的敏感场又多具有软场特性，且二 者之间相互作用，情况复杂；与c t 相比，门系统的观测角度更少，且每个观 测角度下所获得的测量数据也更为有限( 3 n 。以上这两个因素造成p t 系统的数据 处理和图象重建困难很大；被测物场变化很快( 以两相管流为例，流速一般是在 每秒几米至几十米之间) ，为做到实时动态成像，测量数据采集时间要尽可能的 短。 图象重建算法的实时性要强；敏感器空间阵列的选择和设计，不仅要考虑与 被测管道、设备、装置的集合形状、性质的“匹配”问题，还应考虑对工作环境、 条件的适应问题，实现对被测物场的非接触测量；应能根据所采集的测量数据进 行图象重建，并提取出有关被测物场的特征参数信息。同时，电阻层析成像技术 第二章电阻层析成像发展及研究成果 要求被测物场的连续相必须具有一定的导电性，敏感场的激励信号为低频的交流 电流并且敏感场分布要受场内媒质( 物场) 分布的影响，其相互作用为非线性的。 检测信号为弱的交流电压信号，其变化微小，要求测量电路必须具有较高的灵敏 度和信噪比。 作为p t 技术的一个热点，e r t 技术的研究主要集中在三个方面： 第一：硬件性能的提高：硬件方面包括传感器子系统，阵列的优化设计，数 据采集系统稳定性、信噪比、实时性的提高； 第二：图象重建算法的改进：要求开发高性能的重建算法，实现快速有效的 定量图象重建，以满足工业过程在线检测的要求； 第三：工业领域的应用开发：技术最终要为生产和科研服务，应用性的开发 包括开拓技术的应用领域和针对不同对象的适用范围，这样会促进e r t 技术的 发展，使之成为真正实用的在线检测技术。 2 3e r t 技术难点 当前由于计算机运算速度大幅提高，加之该技术应用时应满足实际多相流速 度，数据采集系统的实时性问题一直作为硬件性能提高的一个瓶颈。而数据采集 的实时性问题，实际是从电极传感器检测信号在电极对采集段上出现，经过数据 采集通道，进入数据处理，知道分析结果出现之间所经过的延时时间，提高数据 采集系统实时性受到以下几个方面因素的制约： 1 激励信号：作为系统激励信号，其波形、频率等对系统实时性影响是决定性 的。e r t 技术研究者曾经采用正弦波以及方波，通过电流或是电压等激励方式， 试图减少前端引入的干扰，找到一种快速简单获得传感器幅值信息的方法。研 究表明，提高系统激励信号频率，可以缩短系统中关键环节的响应时间，并且 客观上促进数据转换速率的提升，从而使系统的实时性在整体上得到提高，因 此是提高系统实时性的本质方法。 2 电极系统：电极系统作为数据采集通道前端传感器，其性能的好坏直接影响 采集到的信号质量，如果电极阵列与激励信号形势匹配良好，且抗干扰能力较 强，在电极采集端可以得到小噪声信号，就可以在后续数据采集中省去一部分 响应时间很长的信号调理电路，简化数据采集通道，在去除噪声方面节省等待 时间。 一。 3 数据采集通道：作为数据采集的实现环节，数据采集通道在实现方式、功能 电路设计、芯片选择上直接影响系统实时性，其获取幅值信息的方法，现有电 子技术以及计算机技术的水平，决定了可采用的具体实现方式，也因此决定了 第二章电阻层析成像发展及研究成果 此后电路的可改进程度，所以，在决定幅值信息的获取方法时，应当从原有系 统。经验、电子、计算机技术发展现状三个方面去论证。而对应采集到的传感 器信号，在功能电路设计和芯片选择上，应当考虑有充裕的带宽，响应时间短 的信号调理电路以及方便实用的数据传输通道。 4 数据处理方法：作为数据采集通道的终端，接收到经过数据转换的信号可能 是需要加工才能得到幅值信息的信号，或者为纯粹的幅值信息，两者都作为 数据处理对象，等待应用于实时成像算法，前者需要更长的处理时间，而算 法的优劣，处理器的速度，两者的配合情况，都是可以最终影响系统实时性 的因素。 在提高实时性所有可作的工作中，硬件电路平台的设计由于其开发周期长， 一经实现可改动程度有限，和其对信号实时性的决定性影响，较之数据数据处理 的算法实时性更为重要，而在其中，激励信号的频率作为提高系统实时性的根本 因素，数据采集实现方法作为提高系统实时性的现实因素，是今后进行系统改造， 提高系统实时性的两条主线。其他的方面或作为补充，或由之决定，可在改进系 统的同时达到提高系统实时性的目的。 一 2 4 研究成果及现有系统 硬件方面研究成果主要表现为： 激励信号频率的提升：激励信号频率已经有原有的几k h z 到几十k h z ， 提高到目前的2 0 0 k h z t 3 2 1 ； 激励方式的改变：2 0 0 1 年开发出利用双极性脉冲电流源作为激励源的电 阻层析成像硬件系统设计的新原理，这一技术克服了常规直流激励源时 带来的介质电极化效应，系统的运行速度快，为解决实时性提供了新的 途径【3 3 】； 传感器的优化设计：主要是克服和解决e r t 软场问题，尽可能提高敏感 场灵敏度分布的均匀性，同时采取抗干扰屏蔽措施，提高监测信号的质 量f 3 2 】f 3 4 】； 数据采集实现方法的改变：数据采集系统( d a s ) 采用关键功能电路并 行或全部并行的方式，减少一次激励或是整块电路板的等待时间；改模 拟滤波为数字滤波，将获取幅值信息用数字信号处理的方法实现3 2 1 ； 高质量的图像重建算法：主要是算法在收敛性上的改进、精度和实时性 的提高【3 5 1 3 6 1 。 第二章电阻层析成像发展及研究成果 表2 - 1 国内外几套e r t 系统d a s 的采集速度的比较 3 2 1 3 7 l e r t 系统工作频率电极数目测量值幅幅秒备注 a c t 3 ( 1 9 9 4 ) 自适应电流 3 0 k h z3 24 6 47 5 ( r e n s s e l a e ru n i v ) 模式 u m i s t m k 一2 a ( 19 9 8 ) 5 0 k h z1 61 0 4l o od s p ( m a n c h e s t e ru n i v ) i t s l 0 0 0 型样机 数字解调1 62 5 ( 1 9 9 9 ) 3 8 4 k h z1 0 4 1 66 7开关解调 ( l e e d su n i v e r s i t y ) t e r t l 型样机( 1 9 9 9 ) 天津大学 2 3 4 k h z 1 61 0 41 4开关解调 t e i 汀4 型样机 ( 2 0 0 1 ) 4 0 l d i z1 61 0 45 0开关解调 天津大学 e r t 双截面( 2 0 0 3 ) 2 0 0 k h z1 61 0 4 1 0 0 0d s p ( l e e d su n i v e r s i t y ) e i t 双截面( 2 0 0 5 ) 8 0 k1 61 0 41 1 6 4d s p ( l e e d su n i v e r s i t y ) 2 5e r t 系统的整体结构 一个典型的e r t 系统如图2 1 所示，一般由以下几个部分组成： 图2 1 典型e r t 系统框图 1 获取被测物场信息的空间敏感阵列。它在电压电流激励下，形成一个可从 不同观测角度扫略被测物场的空间敏感场，物场内部电导率分布和结构的运动变 第二章电阻层析成像发展及研究成果 化对敏感场产生调制作用，使敏感阵列输出相应的信号。 2 数据采集与处理单元。它的任务是快速实时的采集空间敏感阵列输出的反 映被测物场二维三维分布状态的大量瞬时信号，并完成相应的解调、滤波处理， 以获得直接反映物场变化的实部信息( 包括实部、虚部、模及相位等等) 。 3 图像重建与物场参数提取单元。它的任务是运用图像重建算法，根据处理 后的数据，获得被测物场的二维或三维图像以及变化的时间历程，可以直接看到 过程设备或装置内部某个截面上不同电导率的分布，同时又可运用相应的基于知 识工程的软件库，提取出被测物场的特征信息，如流型、相速度、相含率、相尺 寸等等。 4 e r t 系统控制单元多采用p c 机，它向数据采集单元发出指令，给某一对电 极施加激励电流，在过程对象内部建立起敏感场，然后测量边界上的电压信号， 将得到的测量数据送数据处理单元，以适当的算法重建出对象内部的电导率分 布，从而得到媒质分布图像( - - 维或三维) 。最后送图像分析单元，对图像的物 理意义加以解释，提取有关的特征参数，为过程控制或实验研究提供必要的信息。 2 6t e r t - 4 型数据采集系统的结构与性能 e r t 系统需要较高的实时性，因此许多人致力于此领域的研究工作。i t s - 1 0 0 型e r t 系统数据采集速率为2 5 幅j 眇。1 9 9 8 年。u m i s t 大学研制出m k 2 a 系统， 数据采集速率可达1 0 0 幅秒。2 0 0 3 年，l e e d s 大学与h u d d e r s f i e l d 大学合作开发 的高性能在线e i t 系统，其采集速度可达到1 0 0 0 幅秒。在国内，以天津大学为 代表在这个领域也开展了很多的研究。目前已开发出的e r t - 4 型双截面系统，在 4 0 k h z 下的激励频率可以达到5 0 幅秒的采样速率。但是现有的系统采集速度等 性能与国外相比还有不小的差距，因此对于高速数据采集系统的研究就尤为重 要。现有系统在稳定性和可靠性方面也存在很大的不足。 现有的t e r t - 4 型数据采集系统采用分离式电子线路设计结构，如图2 2 所 示。由于各单元采用大量的分离元件设计，各元件和功能模块之间连接比较繁琐， 不够稳定，故系统的稳定性和可靠性比较差，需要经常调试，给每次实验带来了 很大困难。而且数据采集速度比较慢，大约为5 0 幅秒。不能满足变化过程较快 的过程测量需要。 第二章电阻层析成像发展及研究成果 图2 - 2t e r t - 4 型数据采集系统结构框图 为了提高t e r t - 4 系统的稳定性、可靠性及数据采集速度，提出基于高速数 字i o 卡和高速数据采集卡的e r t 数据采集系统。完成了系统的设计制作和调 试工作，并在此基础上进行了静态实验，初步验证了系统的可靠性。 第三章基于高速数字i o 卡和数据采集卡的系统设计 第三章基于高速数字i o 卡和数据采集卡的系统设计 3 1 系统整体框架及工作机理 本系统采用相邻激励模式，由一个相邻电极对向场域注入电流，建立敏感场， 在其它的相邻电极上测量边界电压，然后切换到下一个相邻电极对上进行激励， 再在其它的相邻、非激励电极对上测量电压，如图3 1 。重复以上过程直到所有 的相邻电极对都激励过。不在激励电极上进行测量是为了减小连接阻抗的影响。 对于本系统的1 6 电极e r t 系统，相邻模式可以采集到1 6 x ( 1 6 3 ) = 2 0 8 个边界 电压。 电微 图3 - 1 激励与测量模式 本系统采用模块化设计，由以下几个功能模块组成( 如图3 - 2 ) - 信号发生模 块、电极选通控制模块、信号调理模块( 差动放大与解调、滤波) 、a d 转换模 块、数字i o 模块( 控制模块) 、电源模块以及总线背板。 * ： # f 自女 i t o 卡# 敷镕采集十& ” 毒考仁s 整个系统构成如图3 - 3 圈3 0 本系统功能框图 图3 。3 基于高速数字卡和数据采集卡的系统 系统开始运行后，首先计算机通过数字卡通过背扳总线写入控制命令设 置信号发生模块的各参数，信号发生模块产生系统需要的正弦波信号，该信号经 过带通滤波除噪和v c c s 后转换为电流信号，通过电撮选通控制模块选择合适的 电极，将该电流信号施加于一对电极上，并在另外一对电极上接收该激励信号在 多相流流场中产生的响应信号，采集到的信号经过信号调理模块进行差动放大解 调滤波后送入a d 转换模块转换成数字信号存储到指定文件内，完成一次激励 的数据采集过程。 咀下就各功能模块的工作机理及实现方式作进一步说明。 第三章基于高速数字i o 卡和数据采集卡的系统设计 3 2 模块设计及工作原理 3 2 1 信号发生模块 在本系统中，激励信号为正弦波，由信号发生器模块产生，其要求为信号的 频率、相位和幅值可调，同时信号应为电流信号。基于此要求，本模块采用d d s 芯片a d 7 0 0 8 作为原始信号发生电路，后续采用带通滤波及v c c s 实现信号的去 噪和电压到电流的转换。见图3 4 。 图3 - 4 信号发生器原理框图 3 2 1 1 正弦波信号发生器 正弦波发生器主要有模拟式和直接数字频率合成式( d d s ) 两种类型。模拟 方法实现正弦波发生器优点在于电路结构简单、相对成本较低，输出信号失真较 小。但也存在明显的不足，即电路的频率、幅值调节困难。而早期的数字式信号 发生器是采用向e p r o m 中写入固定的数字化正弦波信号值以一定频率读取正 弦波表的内存地址，将得到的数字信号进行数模转换，再进一步通过低通滤波器 将输出的模拟阶梯波去除高频谐波从而得到平滑正弦波电压信号。此方法产生的 信号稳定可靠，频率、幅值改变灵活，相移补偿方便易行，但相对模拟方法电路 复杂，造价较高。由于d d s 有其固有的优点：精确的分辨率和内在的稳定性， 本系统信号发生器模块采用直接数字频率合成( d d s ) 方法。 d d s 是一种新型的频率合成技术，它是采用数字化技术，通过控制相位的 变化速度，直接产生各种不同频率信号的一种频率合成方法【3 引。d d s 具有较高 的频率分辨率，可实现快速的频率切换，且在频率改变时能够保持相位的连续， 很容易实现频率、相位和幅度的数控调制。d d s 在大部分操作中使用数字电路， 从而提供了数字操作拥有的许多优势。由于信号只在合成的最后阶段转换到模拟 域中，所以在多个方面降低了函数发生器的复杂度，提高了函数发生器的稳定性。 从本质上看，d d s 是一个以恒定高频率运行的多位计数器。在溢出时，通过利 用一个多位控制字来设置计数器步进的尺寸，允许计数器过零。计数器的高阶位 用来寻址存储设备，该设备保持有生成的一个波形周期的数字记录。高频时钟每 前进一单位，计数器便步进一次，存储器也将生成一个新的地址字，而新的波形 数据值将会发送到数模转换模块( d i g i t a la n a l o gc o n v e r t e r ，简称d a c ) 。d a c 输出的是取样模拟波形，该波形经重构滤波器之后由发生器输出。 第三章基于高速数字f o 卡和数据采集卡的系统设计 d d s 正弦波发生器的基本工作原理可用图3 5 加以说明。 皿山叩 榭氍墨5 f 晤接幂藏卓跨l i 串鲢e 拄五霸童垫 f ：一，甍件毋捧 拄壤鞋c h t 鱼t - 正强 d c t i - 图3 5d d s 正弦波发生器工作原理 厂、 平豫羹巍 在e r t