【摘要】：電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)技術,是一種通過測量空間介電常數(shù)分布來確定介質分布的技術,即通過檢測非導電物場內介質分布變化引起的電容值變化,重建被檢測的介質分布情況。與其他的檢測技術相比,電容層析成像技術有著結構簡單、成本較低、適用范圍廣、非侵入、安全性能好、無污染以及快速的測量響應等優(yōu)點。隨著工業(yè)信息化的不斷發(fā)展,在電力、醫(yī)學、石油等領域的生產過程中,特別是對兩相流或多相流參數(shù)的實時在線檢測領域,都具有廣泛的應用和發(fā)展前景。本文研究的是基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field programmable gate array,即FPGA)的ECT系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要是由傳感系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及成像計算機組成。傳感系統(tǒng)用來將電介質分布轉化為各極板對的電容值輸出。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來獲得不同角度的投影數(shù)據(jù),然后通過數(shù)字正交解調方式對數(shù)據(jù)進行處理并傳送給成像計算機。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含一塊數(shù)據(jù)采集主板和一塊數(shù)據(jù)采集開關板。其中,數(shù)據(jù)采集主板主要以FPGA為測量核心,以單片機為控制核心。數(shù)據(jù)采集開關板主要由開關通道選擇電路、交流激勵型C/V轉換電路構成。數(shù)據(jù)采集開關板背面有8個測量通道,8個接地通道,即一共可測量8個電極板。成像計算機以MATLAB為軟件平臺,主要用來實現(xiàn)圖像重建功能,即采用線性反投影算法(Linear Back Projection,簡稱LBP),根據(jù)采集來的投影數(shù)據(jù),重建出傳感器管道內的電介質分布情況,并顯示在計算機屏幕上。本文主要介紹了電容層析成像技術在國內外的研究動態(tài)及發(fā)展現(xiàn)狀,重點介紹了本系統(tǒng)所用到的關鍵性電路,即交流激勵型C/V轉換電路,分析了數(shù)字正交相敏解調方案的原理及優(yōu)點,闡述了基于FPGA測量芯片,單片機控制芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計過程,并通過系統(tǒng)測試驗證了該系統(tǒng)的可行性。最終,通過對系統(tǒng)進行測試,表明了該系統(tǒng)具有集成度高、穩(wěn)定性好、信噪比高等優(yōu)點;通過成像測試,表明該成像系統(tǒng)對傳感器內部的介質分布可以呈現(xiàn)出相應的可視化圖像。
[Abstract]:Capacitance tomography (Electrical Capacitance Tomography,ECT) is a technique to determine the dielectric distribution by measuring the distribution of dielectric constant in space, that is, by detecting the change of capacitance caused by the change of dielectric distribution in the field of non-conductive objects. Reconstruct the media distribution to be detected. Compared with other detection techniques, electrical capacitance tomography has the advantages of simple structure, low cost, wide range of application, non-invasive, good safety performance, no pollution and rapid measurement response. With the continuous development of industrial informatization, it has a wide application and development prospect in the fields of electric power, medicine, petroleum and other fields, especially in the field of real-time on-line detection of two-phase flow or multiphase flow parameters. In this paper, a ECT system based on field programmable gate array (Field programmable gate array,) is studied. The system is mainly composed of sensing system, data acquisition system and imaging computer. The sensor system is used to transform the dielectric distribution into the capacitance output of each plate pair. The data acquisition system is used to obtain the projection data from different angles, and then the data is processed by digital quadrature demodulation and transmitted to the imaging computer. The data acquisition system mainly includes a data acquisition board and a data acquisition switch board. Among them, the main board of data acquisition mainly takes FPGA as the measuring core, and the single chip microcomputer as the control core. The data acquisition switch board is mainly composed of switch channel selection circuit and AC excitation C / V conversion circuit. There are 8 measuring channels and 8 grounding channels on the back of the data acquisition switch board, that is, 8 electrode boards can be measured. The imaging computer uses MATLAB as the software platform, which is mainly used to realize the function of image reconstruction, that is, the linear backprojection algorithm (Linear Back Projection, is used to reconstruct the dielectric distribution in the sensor pipeline according to the collected projection data. And displayed on the computer screen. This paper mainly introduces the research trends and development status of capacitance tomography technology at home and abroad, and focuses on the key circuit used in this system, namely AC exciting C / V conversion circuit. This paper analyzes the principle and advantages of the digital quadrature phase sensitive demodulation scheme, expounds the design process of the data acquisition system based on the FPGA measurement chip and the single-chip microcomputer control chip, and verifies the feasibility of the system through the system test. Finally, by testing the system, it shows that the system has the advantages of high integration, good stability and high signal-to-noise ratio. The imaging test shows that the imaging system can present a corresponding visual image to the media distribution inside the sensor.
【學位授予單位】：沈陽工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP274.2;TN791

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