工业总线标准电容层析成像系统设计

摘要

电容层析成像技术（Electrical Capacitance Tomography，ECT）是电学层析成像技术中的一种，通过传感器阵列向被测区域注入激励信号构建电学敏感场，同时测量场内介质由于介电常数分布不均所产生的“投影”信号，进而利用图像重建算法重建被测场域介电常数的分布图像。ECT 具有非侵入、无辐射、成本低、响应迅速并且实时可视化的优点，在工业过程在线测试与可视化监控领域有着广阔的应用前景。 然而，ECT技术仍然存在集成化程度和兼容性不高等问题，为满足多相流测试领域的高速性、灵活性和多模态兼容性等要求，本文设计并实现了一套基于CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect）工业总线标准的数字化ECT系统，在一块6U板卡上实现系统的集成式设计，具有高速、高精度、高稳定性的优点，可与现有工业级测试总线系统灵活兼容。具体研究工作包括： （1）设计并实现了一套基于工业总线标准的电容层析成像系统。为实现传感器阵列电容数据的测量，解调与传输，设计了一套集成正弦信号电压激励源模块、多路复用开关模块、CV转换模块、信号预处理与AD解调模块、CPCI通信模块的单板硬件系统。 （2）设计并实现了一种基于FPGA的ECT实时控制方法。为实现硬件系统功能要求，采用 VHDL 编程语言实现了幅值和相位可调的激励模块、开关驱动模块、AD 采集模块、数字解调模块和 CPCI通信驱动模块的搭建与各个模块之间的协同工作。 （3）通过采用石英砂和塑胶棒作为被测对象，利用Tikhonov正则化方法作为图像重建算法，开展了系统的静态试验，验证所开发 ECT 系统的良好性能以及将其用到气固两相流测试的可行性。

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