12电极电容层析成像数据采集系统的设计及软件开发

摘要

电容层析成像技术(ECT)是基于电容敏感原理的过程层析成像技术(PT)。该技术具有非辐射、非侵入、响应速度快、成本低廉和安全性能好等优点，已发展成为一门重要的两相流参数检测技术。但ECT技术为了应用于实践，还有一些有待完善的地方，如：微弱电容检测、改善系统的抗干扰性能等方面。 本文以 12 电极电容层析成像系统为研究对象，深入研究了电容层析成像技术的特点、工作原理和系统构成；通过有限元仿真得到的电容值仿真参数，设计微小电容测量电路模型；将相敏解调原理应用到系统中，以实现对噪声信号的抑制，采用高精度乘法器、八阶低通滤波器实现抗噪声干扰的相敏解调电路；分析了耦合电容对系统的影响，建立了前项补偿消除耦合电容的理论模型，通过硬件电路、软件实时补偿消除了耦合电容；设计了一套简化电路结构的极板开关控制阵列，使所有极板共用一个正弦激励信号和一路 C/V 转换电路；分析串口实现下位机与上位机通信的可行性，有效性；采用DSP芯片为核心控制芯片，编写下位机软件，实现对数据采集系统的控制及与上位机的串口通信编写上位机程序，实现对数据的接收与保存。最后，在数据采集系统上进行试验，验证了方法的可行性，系统的精度达到了O.49974V/pF，较好的解决了微弱电容的测量问题，提高了系统的抗噪能力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2电容层析成像的相关概念

1.2.1两相流及其检测技术

1.2.2流动层析成像技术

1.2.3电容层析成像技术

1.3国内外相关技术的发展现状

1.3.1国外发展和研究现状

1.3.2国内发展和研究现状

1.4课题来源及研究内容

第2章数据采集系统的理论研究

2.1电容层析成像的工作原理

2.2 ECT系统的组成结构

2.2.1传感器

2.2.2数据采集部分电路

2.2.3控制单元与成像计算机

2.3传感器尺寸设计及仿真分析

2.3.1传感器尺寸设计

2.3.2对传感器的电容值进行仿真

2.4交流法电容测量电路

2.4.1交流测量的基本原理

2.4.2电路中的问题

2.5采用相敏解调原理

2.5.1电容测量及交流放大电路

2.5.2相敏解调的过程

2.5.3相敏解调对噪声的抑制

2.6相敏解调下的前项补偿

2.6.1前项补偿的概念

2.6.2测量电容的分析

2.6.3相敏解调下前项补偿的设计

2.7本章小结

第3章数据采集系统的硬件设计

3.1引言

3.2电容测量板(被控制板)

3.2.1测量板参数确定

3.2.2交流测量及放大电路

3.2.3解调与滤波

3.2.4信号发生器及增益放大

3.2.5极板选择电路

3.2.6差分放大电路

3.2.7前项补偿电路

3.3 DSP控制版

3.3.1 DSP的介绍

3.3.2本系统涉及的主要功能模块

3.3.3 DSP对测量板的控制

3.4本章小结

第4章软件设计

4.1下位机软件设计

4.1.1下位机软件开发环境

4.1.2补偿电容的测量

4.1.3电容变化量的测量

4.1.4数据通信及主程序

4.2上位机软件设计

4.2.1软件开发环境及技术

4.2.2串口参数设置及测试连接部分

4.2.3实时采集部分

4.2.4历史数据再现部分

4.3本章小结

第5章数据采集系统实验及分析

5.1测量板线性度实验

5.2耦合电容补偿与系统稳定性分析

5.3数据采集电路建立分析与实验

5.3.1硬件电路建立时间分析

5.3.2实验验证

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢