基于碳纤维智能层的电阻率层析成像系统研究

摘要

电阻率层析成像，简称ERT。由于具有非侵入性、在线、无放射性、结构简单、设备成本低廉、设备搬运灵活、响应快速、监测结果直观、监测信息量大等优点，在医学、地球物理勘探、水文结构探测等领域得到了广泛应用。武汉理工大学机敏复合材料课题组率先将电阻率层析成像技术应用于机敏混凝土和碳纤维智能层中，以实现对建筑结构的场域诊断。经过几年的研究，取得了一定的成果。
　　 本文在武汉理工大学机敏复合材料课题组的基础上，针对电阻率层析成像系统数据采集较慢、数据误差较高的“瓶颈”，提出并研制了一种交流激励电阻率层析成像信号采集。经测试，该系统基本达到了预期效果。
　　 本文的主要工作如下：
　　 1.根据微弱信号检测的基本原理，对ERT系统的信号采集进行了硬件设计。在设计中采用了交流激励的方式，可以对系统噪声和被测试样的极化效应进行抑制。并根据交流激励的特点设计了相应的信号调理模块，包括信号的放大、滤波、相敏检测、AD采样等环节。电极切换开关阵列上采用了多路复用器，实现了电极的快速切换。
　　 2.对设计的ERT硬件系统进行了软件编程。包括信号源输出程序设计、多路开关逻辑控制，放大器增益控制，A/D转换及串口通讯等几部分。
　　 3.采用ActiveX技术，使用LabVIEW与MatLab混合编程，实现数据通信，存盘，以及对被测试件的在线监控。
　　 4.对所设计的ERT系统进行了实验测试，达到了预期要求。最后对该系统提出了一些改进意见。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 机敏混凝土及碳纤维智能层技术的研究现状

1.3计算机层析成像技术简介

1.4 电阻率层析成像技术的发展

1.5 本论文的主要内容

第2章 ERT的基本原理和测量方法

2.1 ERT的基本原理

2.2 ERT的系统构成

2.3 ERT数据测量的关键问题

第3章 系统的硬件设计

3.1总体设计

3.1.1锁定放大电路及原理

3.1.2交流ERT系统的硬件总体结构

3.2激励源设计

3.2.1正弦电压信号源设计

3.2.2压控电流源的设计

3.3 多路模拟开关

3.3.1 电极阵列设计

3.3.2多路切换开关设计

3.4 电压测量电路设计

3.4.1前级放大设计

3.4.2带通滤波

3.4.3可调移相器设计

3.4.4相敏检波器的选择与电路设计

3.4.5低通滤波器

3.4.6 A/D转换

3.5 控制和通信电路设计

3.5.1 IO 口扩展

3.5.2 RS-232串行通信

第4章 系统的软件设计

4.1 下位机程序设计

4.1.1 总体设计

4.1.2模拟SPI接口

4.1.3激励源控制

4.1.4模拟多路开关阵列控制

4.1.5增益控制

4.1.6采样延时估计

4.1.7 AD转换

4.1.8 串口通信

4.2 上位机软件系统设计

4.2.1数据采集循环设计

4.2.2数据处理循环设计

第5章 实验结果与分析

5.1 硬件电路测试

5.1.1激励源测试

5.1.2压控电流源测试

5.1.3原始输出波形

5.1.4带通滤波器测试

5.1.5乘法器测试

5.1.6低通滤波器测试

5.1.7总结

5.2系统的总体测试

5.2.1实验方法

5.2.2实验结果

第6章 总结与展望

6.1 本文的工作

6.2 对未来工作的展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果