工程硕士学位论文

1、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2012年 6 月国内图书分类号： 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：2012年 6 月授予学位单位：哈尔滨理工大学Classified Index：TP316.2Dissertation for the Master Degree in EngineeringResearch and Designof a NewElectrica

2、lCapacitance Tomography Detector SystemSupervisor：Vice Supervisor：Academic Degree Applied f：orSpecialty：Date of Oral Examination：University：LiuDehuaLiLanLiu HuaMaster of EngineeringComputer TechnologyJune, 2012HarbinUniversity of Science andTechnology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文一种新型的电容层析成像探

3、 测器系统研究与设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年 月 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保

4、留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。本学位论文属于保密，在 年解密后适用授权书。不保密V。匚（请在以上相应方框内打V ）作者签名：日期： 年 月 日日期:导师签名: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 电容层析成像；现场可编程门阵列；数据采集系统；三电极激励目录摘要 I第 1 章 绪论 11.1 课题研究的背景和意义 11.2 电容层析成像技术的研究现状与展望 11.2.1 国外研究现状

5、与应用 11.2.2 国内研究现状与应用 11.2.3 发展展望 错误！未定义书签。1.3 课题的来源及研究内容 21.3.1 课题来源 21.3.2 课题的主要研究内容 2第 2 章 相关技术概述 32.1 电容层析成像技术的原理与组成 32.1.1 电容传感器系统 32.1.2 数据测量与采集系统 42.1.3 成像系统 错误！未定义书签。2.2 现场可编程门阵列 42.2.1 FPGA 工作原理 52.2.2 FPGA 的基本结构 5223 FPGA开发流程错误！未定义书签。2.3 本章小结 5第3章ECT系统多电极激励方法分析与研究 63.1 引言 63.2 电容层析成像技术微电容测量

6、原理 63.3 ECT三电极激励方法研究 错误！未定义书签。3.4 不同电极激励方式的灵敏场仿真与分析 63.4.1 单电极激励下的仿真计算 63.4.2 三电极激励下的仿真计算 73.4.3 不同电极激励方式下的仿真计算 73.5 本章小结 8第 4 章 基于 FPGA 的 ECT 探测器系统研究与设计 94.1 ECT 探测器系统总体概述 94.2影响ECT探测器系统实时性因素9421交流电容/电压(C/V)转换电路94.2.2 相敏解调电路 94.2.3 ECT测量系统各环节所用时间 错误！未定义书签。4.3基于FPGA的改进型数据测量与采集系统 94.3.1基于FPGA的信号发生器设计

7、 错误！未定义书签。4.3.2 传感器极板控制电路设计 错误！未定义书签。4.3.3 数字解调电路设计 错误！未定义书签。4.4 ECT探测器系统整体设计94.5 本章小结 9第 5章 仿真及实验结果分析 105.1基于三电极激励双电极检测的 C/V转换电路线性度实验105.2 静态电容测量实验 105.3基于FPGA数字解调系统性能分析105.4 本章小结 10结论 11参考文献 12致谢 13个人简历 14第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义电容层析成像技术(Electrical Capacitanee Tomography, ECT)是借鉴于医用 CT发展而来，一项基于电容敏感原理的

8、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。1.2 电容层析成像技术的研究现状与展望1.2.1 国外研究现状与应用上世纪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 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。1.2.2 国内研究现状与应用目前在我国，华北电力大学

9、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42250-300 ； 广西大学赵进创教授进行煮糖罐糖膏浓度

10、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。1.3 课题的来源及研究内容1.3.1 课题来源本课题受国家自然科学基金等工程资助。1.3.2 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

11、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。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。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。5 验证和总结 在本系统设计完成第2章相关技术概述2.1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

12、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。计條机图2-1电容层析成像系统构成图2.1.1电容传感器系统多电极电容传感器是指

13、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 旳。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实验环境，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

14、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咼；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/气冰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 度较咼电极极易积累静电 荷；制作困难；与被 测物质接触火焰探测2.1.2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

15、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；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。2.2现场可编程门阵列可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)是一门新兴的科学技 术，它起源于20世纪70年代。2.2.1 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不一样的编程方式。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;

16、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。2.2.2 FPGA 的基本结构2.3 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。第3章ECT系统多电极激励方法分析与研究3.1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。3.2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器绝缘管壁外侧的

17、圆周 固定安放着紫铜薄片作为电极。依据电磁场的相关理论知识可知，可用下面的麦克斯韦方程对任意的电磁 场进行表示：= P(3-1)式3-1中：D为电位移；t为电荷密度。针对同一样的介质，电场和磁场之间的各个物理量之间还有以下的关系：D = .E (3-2) E - -(3-3)在式3-2、3-3中：；表示相对介电常数、表示电位、E表示电场强度。3.3不同电极激励方式的灵敏场仿真与分析参照以往的ECT仿真实验情况，本实验也采用 电磁场有限元 的实验分析 方法，选用Ansys12.0作为实验的仿真平台对着两种不同的电极激励方式进行 仿真实验。3.3.1单电极激励下的仿真计算在理想化的条件下二项介质混

18、合物沿传感器轴向是均衡的，本实验在Ansys12.0系统仿真实验平台进行工作，将相关数据输入到仿真系统中计算。 首先在理想化的空场条件下进行实验，如图3-3、3-4,图中展示的是，在单电 极激励条件下1-2电极对和1-9电极对测得的电场强度值和电位值。在两幅图 中左边的是电场强度值，右边的是电位值。332三电极激励下的仿真计算在三电极激励二电极检测的方式下，在实验平台上，还是在理想化的空场 条件下进行实验，将相关数据输入到系统里。3.3.3不同电极激励方式下的仿真计算在具体做本实验时，将灵敏度级差dP引入进来来评价灵敏度的均匀性，如公式：p =Max(Sj,j(p)-Mi n(S,j(p)(3

19、-19)最后，将Ansys12.0软件计算出来的数据输入到 MATLAB实验平台进行数 据计算。由公式(3-19)可以知道，sdp这个值的绝对值越小的话 ECT电容传感 器电极对之间的 灵敏场分布的 越是均匀。表(3-1)、(3-2)为MATLAB软件计算 出来的结果。从这两个表可以看出来，三电极激励二电极检测与单电极激励计算的结果相比较，灵敏场的分布要更加均匀。灵敏度的最高值由原来的 81.0076降低到目前的35.8702,灵敏度的最低值由原来的-3.5096升至目前的- 2.4110,sdp的最大值由原来的84.5982降低到目前的38.2816。根据以上所得 到的数据进行比较，在具体应

20、用时，采用三电极激励二电极检测的方法可使系统检测精度更准确一些。表3-1单电极激励灵敏场评价指标值Table 3-1 Evaluation index value of sensitivity under single incentive electrode参数Max i, jMin i,j3sdp电极对1-281.0076-3.590684.5982电极对1-36.7420-1.50698.2489续表（3-1）电极对1-46.7420-1.50698.2489电极对1-56.7420-1.50698.24893.4本章小结ECT技术图像重建利用测量出来的电容值远远小于被测图像的像素数目,

21、逆向问题的求解是典型的。第4章基于FPGA的ECT探测器系统研究与设计4.1 ECT 探测器系统总体概述现阶段。4.2 影响 ECT 探测器系统实时性因素现阶段 ECT 探测器主要采用的微小电容测量电路按照检测原理来分类主 要分为四种。4.2.1交流电容/电压(C/V)转换电路ECT探测器系统的交流C/V转换电路运用电压进行激励，电流进行测量的 方法，。4.2.2 相敏解调电路在 ECT 探测器系统中，。4.3 基于 FPGA 的改进型数据测量与采集系统从上一节分析的内容可以知道，。4.4 ECT 探测器系统整体设计在进行 ECT 探测器的设计时，。4.5 本章小结本章针对采用模拟解调与滤波第

22、5章仿真及实验结果分析在前面的章节里，详细地分析了 ECT和FPGA的组成和工作原理，。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所谓C/V转换电路线性度就是指电路输入的电容值与输出的电压值之间的 实际关系曲线与理想化的直线之间的偏离程度，。结果如表5-1所示。表5-1实验测量电容值电容值（pF）理论电压 值（V）对应测量输出电压（V）第一次第二次第三次第四次0.50.250.25030.25010.25090.249910.50.50080.50060.50010.5003211.0002 t1.00010.99931.000831.51.50021.50011.50071.500150.6250.62550.62480.62510.624960.750.7507 0.74980.75010.7506811.00011.00031.00090.9997101.251.25031.25051.24991.2506121.51.49961.50021.50011.50075.2静态电容测量实验电容传感器结构参数主要包括 电极数目、。5.3基于FPGA数字解调系统性能分析基于FPGA的ECT数据采集系统是将经过 C/V转换电路的模拟电压值 直接数字化，。5.4本章小