工程碩士學位論文

1、工程碩士學位論文一種新型的電容層析成像探測器系統(tǒng)研究與設(shè)計劉德華哈爾濱理工大學2012年 6 月國內(nèi)圖書分類號： TP316.2工程碩士學位論文一種新型的電容層析成像探測器系統(tǒng)研究與設(shè)計碩 士 研 究 生：劉德華導 師：李蘭副 導 師：劉華申請學位級別：工程碩士工 程 領(lǐng) 域：計算機技術(shù)所 在 單 位：濰坊工商職業(yè)學院答 辯 日 期：2012年 6 月授予學位單位：哈爾濱理工大學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哈爾濱理工大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學位論文一種新型的電容層析成像探

3、 測器系統(tǒng)研究與設(shè)計，是本人在導師指導下，在哈爾濱理工大學攻讀碩士學 位期間獨立進行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外 不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文研究工作做出貢獻的個人和集 體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔。作者簽名：日期：年 月 日哈爾濱理工大學碩士學位論文使用授權(quán)書一種新型的電容層析成像探測器系統(tǒng)研究與設(shè)計系本人在哈爾濱理工 大學攻讀碩士學位期間在導師指導下完成的碩士學位論文。本論文的研究成果 歸哈爾濱理工大學所有，本論文的研究內(nèi)容不得以其他單位的名義發(fā)表。本人 完全了解哈爾濱理工大學關(guān)于保存、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保

4、留并向 有關(guān)部門提交論文和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)哈爾濱理工 大學可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文，可以公布論文的全部或部 分內(nèi)容。本學位論文屬于保密，在 年解密后適用授權(quán)書。不保密V。匚（請在以上相應方框內(nèi)打V ）作者簽名：日期： 年 月 日日期:導師簽名:一種新型的電容層析成像探測器系統(tǒng)研究與設(shè)計摘要電容層析成像技術(shù) (ECT) 是一項基于電容敏感原理的過程層析成像技 術(shù)。關(guān)鍵詞 電容層析成像；現(xiàn)場可編程門陣列；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；三電極激勵目錄摘要 I第 1 章 緒論 11.1 課題研究的背景和意義 11.2 電容層析成像技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望 11.2.1 國外研究現(xiàn)狀

5、與應用 11.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與應用 11.2.3 發(fā)展展望 錯誤！未定義書簽。1.3 課題的來源及研究內(nèi)容 21.3.1 課題來源 21.3.2 課題的主要研究內(nèi)容 2第 2 章 相關(guān)技術(shù)概述 32.1 電容層析成像技術(shù)的原理與組成 32.1.1 電容傳感器系統(tǒng) 32.1.2 數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng) 42.1.3 成像系統(tǒng) 錯誤！未定義書簽。2.2 現(xiàn)場可編程門陣列 42.2.1 FPGA 工作原理 52.2.2 FPGA 的基本結(jié)構(gòu) 5223 FPGA開發(fā)流程錯誤！未定義書簽。2.3 本章小結(jié) 5第3章ECT系統(tǒng)多電極激勵方法分析與研究 63.1 引言 63.2 電容層析成像技術(shù)微電容測量

6、原理 63.3 ECT三電極激勵方法研究 錯誤！未定義書簽。3.4 不同電極激勵方式的靈敏場仿真與分析 63.4.1 單電極激勵下的仿真計算 63.4.2 三電極激勵下的仿真計算 73.4.3 不同電極激勵方式下的仿真計算 73.5 本章小結(jié) 8第 4 章 基于 FPGA 的 ECT 探測器系統(tǒng)研究與設(shè)計 94.1 ECT 探測器系統(tǒng)總體概述 94.2影響ECT探測器系統(tǒng)實時性因素9421交流電容/電壓(C/V)轉(zhuǎn)換電路94.2.2 相敏解調(diào)電路 94.2.3 ECT測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)所用時間 錯誤！未定義書簽。4.3基于FPGA的改進型數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng) 94.3.1基于FPGA的信號發(fā)生器設(shè)計

7、 錯誤！未定義書簽。4.3.2 傳感器極板控制電路設(shè)計 錯誤！未定義書簽。4.3.3 數(shù)字解調(diào)電路設(shè)計 錯誤！未定義書簽。4.4 ECT探測器系統(tǒng)整體設(shè)計94.5 本章小結(jié) 9第 5章 仿真及實驗結(jié)果分析 105.1基于三電極激勵雙電極檢測的 C/V轉(zhuǎn)換電路線性度實驗105.2 靜態(tài)電容測量實驗 105.3基于FPGA數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)性能分析105.4 本章小結(jié) 10結(jié)論 11參考文獻 12致謝 13個人簡歷 14第1章 緒論1.1 課題研究的背景和意義電容層析成像技術(shù)(Electrical Capacitanee Tomography, ECT)是借鑒于醫(yī)用 CT發(fā)展而來，一項基于電容敏感原理的

8、過程成像技術(shù)。綜上所述，研究新型的 ECT 探測器系統(tǒng)，優(yōu)化數(shù)據(jù)檢測與采集電路，對 于提高圖像重建精度具有深遠的意義。1.2 電容層析成像技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望1.2.1 國外研究現(xiàn)狀與應用上世紀80年代末英國曼徹斯特大學提出電容層析成像技術(shù) (ECT)，這是 種新的計算機層析成像技術(shù) 1，流動層析成像技術(shù)以該技術(shù)為重要方向和研究 熱點，近幾年來國內(nèi)外的研究人員就 ECT的應用以及應用過程中出現(xiàn)的情況進 行一系列的分析，對其做了大量的科研工作，電容層析成像技術(shù)的研究已經(jīng)取 得了相當豐碩的成果，理論研究和實驗研究及應用已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域全面展開2。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與應用目前在我國，華北電力大學

9、劉石教授在含能量材料澆注過程成像、脈動熱 管成像識別和換熱特性 40,41 、循環(huán)床兩相流固體濃度場測量的研究均將 ECT 技 術(shù)融入進去；天津大學王化祥教授進行了 ECT 和 ERT 相結(jié)合的雙模態(tài)的成像 研究的工作 42 ；東北大學邵富群教授在進行糧倉濕度的測量研究中采用 ECT 技術(shù)43 ；廣西大學趙進創(chuàng)教授進行煮糖罐糖膏濃度測量的時研究采用電容電阻 方法，浙江大學的李海青、黃志堯教授根據(jù)外國成功經(jīng)驗采用 ECT 技術(shù)進行 油氣的測量研究并有一定的創(chuàng)新 44，45 。東北大學邵富群教授在進行糧倉濕度的測量研究中采用 ECT 技術(shù)42250-300 ； 廣西大學趙進創(chuàng)教授進行煮糖罐糖膏濃度

10、測量的時研究采用電容電阻方法，浙 江大學的李海青、黃志堯教授根據(jù)外國成功經(jīng)驗采用 ECT 技術(shù)進行油氣的測 量研究并有一定的創(chuàng)新。1.3 課題的來源及研究內(nèi)容1.3.1 課題來源本課題受國家自然科學基金等工程資助。1.3.2 課題的主要研究內(nèi)容電容層析成像技術(shù)以其生產(chǎn)價格低廉、整體結(jié)構(gòu)簡單、工作安全性能高等 優(yōu)點被人們廣泛采用，但它畢竟還是一門新興的技術(shù)，從技術(shù)層面角度看還有 很多方面要進行完善和發(fā)展。本課題以 16 電極電容層析成像系統(tǒng)為研究對 象，就 ECT 電容傳感器的電極激勵方式、數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)進行深入研 究。本論文研究內(nèi)容主要有以下幾個方面組成。1對已有的 ECT 系統(tǒng)進行分析與

11、研究 對現(xiàn)有的 ECT 技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成和 工作原理及其特點和不足進行深入研究，為以后的研究做好準備。2對 ECT 系統(tǒng)電極激勵方法進行研究 由于 ECT 探測器系統(tǒng)的圖像重建 是以有限量的數(shù)據(jù)重。3基于 FPGA 的 ECT 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 ECT 探測器中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 將以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為核心。4研究一種新型的 ECT 探測器系統(tǒng) 新型的 ECT 探測器系統(tǒng)在充分地考 慮工業(yè)具體應用中的被測容器。5 驗證和總結(jié) 在本系統(tǒng)設(shè)計完成第2章相關(guān)技術(shù)概述2.1電容層析成像技術(shù)的原理與組成電容層析成像技術(shù)的工作原理是根據(jù)被測容器內(nèi)的混合物中每一項的相對 介電常數(shù)均不相同的情況，當混合

12、物中的一項介質(zhì)的分布或者濃度產(chǎn)生變化 時，這將使混合物的相對介電常數(shù)發(fā)生了變化，由此一來將使在被測容器外部 測量電極對所測得的電容數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的變化。圖2-1為電容層析成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知 ECT系統(tǒng)主要由陣列式 電容傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和成像計算機三個部分構(gòu)成。ECT探測器系統(tǒng)首先用電容傳感器測量被測容器的電容值，然后將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)對傳送過來的投影數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、放大、解調(diào)與濾波，之后通過通信 接口傳送給成像的PC機，成像的PC機采用相適應的圖像重建算法進行圖像 的重建并將其顯示。計條機圖2-1電容層析成像系統(tǒng)構(gòu)成圖2.1.1電容傳感器系統(tǒng)多電極電容傳感器是指

13、在絕緣容器或者管道外側(cè)均勻的安裝一組電極極 板。從ECT技術(shù)誕生到現(xiàn)在，多電極電容傳感器的結(jié)構(gòu)也是在不斷的改進，到 現(xiàn)在已經(jīng)研制出多種傳感器結(jié)構(gòu) 旳。因為每個工業(yè)現(xiàn)場的實際應用情況不同，測量的混合流體構(gòu)成也不盡相 同，所以研究人員根據(jù)此情況將 ECT電容傳感器按布置方式劃分了四種結(jié)構(gòu)。 這四種布置方式都有自己的優(yōu)點與此同時也存在一定的不足，具體運用哪一種 布置方式的電容傳感器要依據(jù)具體的實驗環(huán)境，應用的條件，所測的流體流行 來進行合理選擇。如表2-1所示，為不同布置方式的電容傳感器的特點、不足 以及適宜的應用場合。表2-1不同結(jié)構(gòu)ECT傳感器的特點結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點不足應用場合外置有隔離電極零點電容

14、較??；與被 測物質(zhì)無接觸受管壁電容影響；制 作困難流化床分析；管道中 石油的測量；水錘監(jiān) 控內(nèi)置無隔離電極靈敏度較咼；便于制作電極極易積累靜電 荷；與被測物質(zhì)接觸流化床分析；火焰探 測；油/氣冰測量外置無隔離電極結(jié)構(gòu)簡單；成本低； 便于制作；與被測物質(zhì)無接觸受管壁電容影響；零 點電容比較大噴臨床監(jiān)控；氣力的運輸內(nèi)置有隔離電極零點電容較??；不受 管壁電容影響；靈敏 度較咼電極極易積累靜電 荷；制作困難；與被 測物質(zhì)接觸火焰探測2.1.2數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)是 ECT探測器系統(tǒng)的重要組成部分在設(shè)計數(shù)據(jù)測量 與采集系統(tǒng)時主要要考慮以下幾個方面的因素：1 應當擁有一個比較大的動態(tài)檢測電

15、容范圍與此同時線性度一定要好；2 應當具有比較較強的對雜散電容抑制的能力；3要具有高效的、徹底的濾除系統(tǒng)固有的電容值和耦合電容值的系統(tǒng)；4. ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體要具有快速性、實時性的特性。2.2現(xiàn)場可編程門陣列可編程邏輯器件(Programmable Logic Device，PLD)是一門新興的科學技 術(shù)，它起源于20世紀70年代。2.2.1 FPGA 工作原理FPGA在工作時其片內(nèi)的RAM是要被編程的，研發(fā)人員可以根據(jù)具體工作 環(huán)境的配置模式來采用不一樣的編程方式。在對 FPGA進行操作時有以下四種 配置模式可供選擇。1. 并行模式該模式是運用并行的PROM、Flash來配置FPGA;

16、2. 串行模式這個模式是用串行的PROM來配置FPGA;3. 主從模式此模式是用一片PROM來配置多片的FPGA;4. 外設(shè)模式將FPGA作為微處理器的外設(shè)然后由微處理器對其進行編程。2.2.2 FPGA 的基本結(jié)構(gòu)2.3 本章小結(jié)本章對電容層析成像(ECT)技術(shù)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)分別進行 了極為細致的闡述。第3章ECT系統(tǒng)多電極激勵方法分析與研究3.1引言由于ECT圖像的重建是以有限數(shù)量的檢測數(shù)據(jù)來求解的問題，因此在電 容測量時即使出現(xiàn)一個很微小的誤差也會對圖像重建造成很大麻煩。3.2電容層析成像技術(shù)微電容測量原理ECT探測器中的多電極電容傳感器的構(gòu)成是在傳感器絕緣管壁外側(cè)的

17、圓周 固定安放著紫銅薄片作為電極。依據(jù)電磁場的相關(guān)理論知識可知，可用下面的麥克斯韋方程對任意的電磁 場進行表示：= P(3-1)式3-1中：D為電位移；t為電荷密度。針對同一樣的介質(zhì)，電場和磁場之間的各個物理量之間還有以下的關(guān)系：D = .E (3-2) E - -(3-3)在式3-2、3-3中：；表示相對介電常數(shù)、表示電位、E表示電場強度。3.3不同電極激勵方式的靈敏場仿真與分析參照以往的ECT仿真實驗情況，本實驗也采用 電磁場有限元 的實驗分析 方法，選用Ansys12.0作為實驗的仿真平臺對著兩種不同的電極激勵方式進行 仿真實驗。3.3.1單電極激勵下的仿真計算在理想化的條件下二項介質(zhì)混

18、合物沿傳感器軸向是均衡的，本實驗在Ansys12.0系統(tǒng)仿真實驗平臺進行工作，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到仿真系統(tǒng)中計算。 首先在理想化的空場條件下進行實驗，如圖3-3、3-4,圖中展示的是，在單電 極激勵條件下1-2電極對和1-9電極對測得的電場強度值和電位值。在兩幅圖 中左邊的是電場強度值，右邊的是電位值。332三電極激勵下的仿真計算在三電極激勵二電極檢測的方式下，在實驗平臺上，還是在理想化的空場 條件下進行實驗，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)里。3.3.3不同電極激勵方式下的仿真計算在具體做本實驗時，將靈敏度級差dP引入進來來評價靈敏度的均勻性，如公式：p =Max(Sj,j(p)-Mi n(S,j(p)(3

19、-19)最后，將Ansys12.0軟件計算出來的數(shù)據(jù)輸入到 MATLAB實驗平臺進行數(shù) 據(jù)計算。由公式(3-19)可以知道，sdp這個值的絕對值越小的話 ECT電容傳感 器電極對之間的 靈敏場分布的 越是均勻。表(3-1)、(3-2)為MATLAB軟件計算 出來的結(jié)果。從這兩個表可以看出來，三電極激勵二電極檢測與單電極激勵計算的結(jié)果相比較，靈敏場的分布要更加均勻。靈敏度的最高值由原來的 81.0076降低到目前的35.8702,靈敏度的最低值由原來的-3.5096升至目前的- 2.4110,sdp的最大值由原來的84.5982降低到目前的38.2816。根據(jù)以上所得 到的數(shù)據(jù)進行比較，在具體應

20、用時，采用三電極激勵二電極檢測的方法可使系統(tǒng)檢測精度更準確一些。表3-1單電極激勵靈敏場評價指標值Table 3-1 Evaluation index value of sensitivity under single incentive electrode參數(shù)Max i, jMin i,j3sdp電極對1-281.0076-3.590684.5982電極對1-36.7420-1.50698.2489續(xù)表（3-1）電極對1-46.7420-1.50698.2489電極對1-56.7420-1.50698.24893.4本章小結(jié)ECT技術(shù)圖像重建利用測量出來的電容值遠遠小于被測圖像的像素數(shù)目,

21、逆向問題的求解是典型的。第4章基于FPGA的ECT探測器系統(tǒng)研究與設(shè)計4.1 ECT 探測器系統(tǒng)總體概述現(xiàn)階段。4.2 影響 ECT 探測器系統(tǒng)實時性因素現(xiàn)階段 ECT 探測器主要采用的微小電容測量電路按照檢測原理來分類主 要分為四種。4.2.1交流電容/電壓(C/V)轉(zhuǎn)換電路ECT探測器系統(tǒng)的交流C/V轉(zhuǎn)換電路運用電壓進行激勵，電流進行測量的 方法，。4.2.2 相敏解調(diào)電路在 ECT 探測器系統(tǒng)中，。4.3 基于 FPGA 的改進型數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)從上一節(jié)分析的內(nèi)容可以知道，。4.4 ECT 探測器系統(tǒng)整體設(shè)計在進行 ECT 探測器的設(shè)計時，。4.5 本章小結(jié)本章針對采用模擬解調(diào)與濾波第

22、5章仿真及實驗結(jié)果分析在前面的章節(jié)里，詳細地分析了 ECT和FPGA的組成和工作原理，。5.1基于三電極激勵雙電極檢測的C/V轉(zhuǎn)換電路線性度實驗所謂C/V轉(zhuǎn)換電路線性度就是指電路輸入的電容值與輸出的電壓值之間的 實際關(guān)系曲線與理想化的直線之間的偏離程度，。結(jié)果如表5-1所示。表5-1實驗測量電容值電容值（pF）理論電壓 值（V）對應測量輸出電壓（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靜態(tài)電容測量實驗電容傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括 電極數(shù)目、。5.3基于FPGA數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)性能分析基于FPGA的ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將經(jīng)過 C/V轉(zhuǎn)換電路的模擬電壓值 直接數(shù)字化，。5.4本章小