電容層析成像技術(shù)測量電路的設(shè)計【開題報告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計開題報告</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　電容層析成像技術(shù)測量電路的設(shè)計</p><p><b>　　選題的背景、意義</b></p><p>　　過程成像(PT:Process Tomogra

2、phy)技術(shù)是近年來才發(fā)展起來的一種兩相或多相流測量技術(shù),其優(yōu)點是利用被測物體外部的檢測信息,獲得被測物體內(nèi)部變化∕高速流狀態(tài)。過程成像經(jīng)常使用特殊方法設(shè)計的探測器,通過非侵入式的方法取得被測兩相流或多相流介質(zhì)的場(如電磁場)信息,可以根據(jù)場的信息和被測物體的作用原理,應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法重建兩相流或多相流在管道內(nèi)或反應(yīng)裝置的內(nèi)部的橫截面上的動態(tài)分布的情況。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，過程成像可用于研究化工、石油等各種固體、氣體的物料輸送管道中的氣或固

3、兩相流和氣或固或液多相流得流態(tài)化、反應(yīng)、擴散以及混合等動態(tài)過程,以監(jiān)控反應(yīng)器中氣泡的分布和大小以及反應(yīng)器中氣泡的破碎和合并等過程；通過工業(yè)過程中的建立的模型,研究反應(yīng)器中反應(yīng)速率、質(zhì)量傳遞以及熱量傳遞的關(guān)系,提高反應(yīng)器的選擇性、轉(zhuǎn)化率以及安全性等[1]。</p><p>　　電容層析成像技術(shù)（ECT）是醫(yī)學(xué)CT技術(shù)在工業(yè)流動過程上的改革與發(fā)展，是目前用來解決多相流參數(shù)測量難度大的最新手段。ECT(Electric

4、al Capacitance Tomography)是在應(yīng)用于多相流參數(shù)檢測的一種新型技術(shù),原理是依靠檢測非導(dǎo)電物場內(nèi)介質(zhì)分布變化引起的電容值的變化,通過某種圖像重建算法來反演物場內(nèi)的介質(zhì)分布,從而實現(xiàn)對兩相流參數(shù)的測量。工業(yè)過程成像技術(shù)中，電容的成像技術(shù)（Electrical Capacitance Tomography,簡稱ECT）以它廉價、高速和非輻射等特點，在近十幾年來獲得很大發(fā)展[2]。</p><p>

5、;　　其實，早在二十世紀(jì)八十年代中期，以英國曼徹斯特理工大學(xué)Beck M S教授為首的研究小組就已經(jīng)提出了“流動成像”（Flow Imaging）得概念，并研制成功了8電極的電容成像系統(tǒng)。在國外，美國能源部Morgantown研究中心幾乎與Beck的研究小組同時發(fā)明出了一種在線監(jiān)測流化床中空隙率分布的16電極電容的成像系統(tǒng)（Capacitance Imaging System,簡稱CIT），該系統(tǒng)可用于對流化床內(nèi)物料密度三維分布地監(jiān)測。

6、電容成像的技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)上的多種需要進行多相流監(jiān)測的場合，比如，氣∕固、氣∕液、火焰等監(jiān)測[3]。</p><p>　　但目前ECT系統(tǒng)的測量精度、重建圖像質(zhì)量、速度還不盡人意。為滿足電容層析成像系統(tǒng)對電容測量的相當(dāng)苛刻的要求，用來對電容進行測量的電容/電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計成為難點[3]。本文具體分析了電容測量的問題，在研究多種電容測量電路的基礎(chǔ)上，提出了較高精度的電容/電壓轉(zhuǎn)換電路。</p><

7、p>　　相關(guān)研究的最新成果及動態(tài) </p><p>　　為了提高層析成像的成像系統(tǒng)的臨時性、測量準(zhǔn)確度和圖像的品質(zhì),多機理、多模型的層析成像技術(shù)將是未來發(fā)展的一大主流,也就是對同一系統(tǒng)采用兩種或兩種以上的成像技術(shù)對其進行同時監(jiān)測,通過增添信息量以擴展系統(tǒng)的適用范圍和測量準(zhǔn)確度。在國外，英國大學(xué)已初步建立起了ECT、ERT和超聲成像多模態(tài)測量裝備,同時開展多相流的測量實驗。而在國內(nèi)方面,天津大學(xué)開展起了“E

8、CT/ERT電阻抗雙模態(tài)層析成像”的研究,并取得了一定的成果[4]。</p><p>　　ECT系統(tǒng)用電容測量電路的研究已取得重要進展。有兩類能抑制雜散電容的電容測量電路最為常用：一類是直流充放電電容測量電路；另一類是交流法電容測量電路.直流充放電電容測量電路典型分辨率是0.3fF。它的優(yōu)點是抗雜散電容、電路簡單、成本低。它的缺點主要是采用直流放大有漂移以及cmos開關(guān)的電荷注入效應(yīng)影響了充電放電C-V電路的性能

9、,使得電路的抗雜散性能下降。交流法電容測量電路被公認(rèn)最好的一種。因為它克服了直流沖/放電型所固有的缺點,比如受注入電荷影響、直流漂移,靈敏度較低等?？梢种齐s散電容,低漂移、高信噪比[5]。 </p><p>　　由于電容成像系統(tǒng)電容傳感器不同極板組合之間的電容值通常在1.0pF以下，屬于微電容測量范圍，因此要求測量電路具有以下幾方面得特性[6]：</p><p>　?。?）首先要求抗分布電

10、容能力。電容傳感器各電極和屏蔽罩之間以及用于連接電極和測量電路的同軸電纜與“地”之間均存在分布電容，他的量值通常在幾十到上百pF，遠遠大于了被測電容值，因此為了準(zhǔn)確測出被測電容值，測量電路必須具有克服分布電容影響的能力。</p><p>　　（2）然后也要求做到大量程及高靈敏度。電容傳感器任意兩個極板組合構(gòu)成一個兩端子的電容，并且相鄰極板之間和相對極板之間的電容值相差較大，在相鄰極板之間最大電容的變化值可達上百p

11、F，但相對極板間最大電容變化值只有幾pF，因此測量電路應(yīng)具有高靈敏度及較大量程。</p><p>　　（3）同時要有低漂移和高信噪比。工業(yè)現(xiàn)場往往具有較強環(huán)境噪聲，因此要求測量電路具有較低的漂移和較高信噪比，使整個系統(tǒng)具有好的穩(wěn)定性。</p><p>　?。?）最后要有電容層析成像系統(tǒng)的應(yīng)用對象通常為快速變化的工業(yè)過程，為保證實時性，測量電路必須具有較快的響應(yīng)速度。</p>

12、<p>　　目前的電容成像微電容測量的方法包括其充放電法、有源差分法、交流法等等。其中充放電法和有源差分法電路結(jié)構(gòu)較簡單，但電路穩(wěn)定性不好，信噪比也較低；交流激勵方法由于信噪比和穩(wěn)定性都較高，目前在電容成像中應(yīng)用較多[7]。</p><p>　　由于過程成像技術(shù)的非侵入式的動態(tài)檢測特點和潛在的應(yīng)用前景,在國外，歐洲過程成像研究小組開始從1992年起每年召開一次題為ECAPT(the European C

13、oncertedAction on Process Tomography)地會議,其目的在交流最新研究成果,探討過程層析成像技術(shù)的發(fā)展方向[8]。過程成像的技術(shù)研究,旨在研發(fā)新一代智能化實時檢測系統(tǒng),將工業(yè)過程動態(tài)信息與流體動力學(xué)模型相結(jié)合,建立更加符合實際工藝的過程模型,更進一步得優(yōu)化工業(yè)過程結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計,以改進工藝的過程和提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性[9]。 </p><p>　　3、課題的研究內(nèi)容及擬采取的研

14、究方法（技術(shù)路線）、研究難點及預(yù)期達到的目標(biāo)</p><p><b>　?。?）研究內(nèi)容</b></p><p>　　1、對 ECT系統(tǒng)的基本構(gòu)成、發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的一些問題進行了解，分析 其工作原理；</p><p>　　2、發(fā)現(xiàn)電容測量中存在的主要問題，研制出高精度的電容電壓轉(zhuǎn)換電路，分析其電路的抗雜散電容的效果，在實驗的基礎(chǔ)上優(yōu)化電路

15、；</p><p>　　3、設(shè)計ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件控制電路，并對其中的主要部分的組成進行實驗；</p><p>　　4、對ECT系統(tǒng)進行靜態(tài)特性、靈敏度和線性的實驗，進行分析，對結(jié)果進行比較。</p><p><b>　?。?）研究方法</b></p><p>　　電容層析成像(Electrical Capacita

16、nce Tomo2graphy,ECT)的技術(shù)的基本原理是:位于管道內(nèi)部的兩相流,其各相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù),兩相流在流動時,各相其含量和其分布不斷變化,引起兩相流體復(fù)合介電常數(shù)的變化,電容傳感器將獲得的測量數(shù)據(jù)反映出整個管道截面上介電常數(shù)的分布情況,這些數(shù)據(jù)被反應(yīng)到計算機，并且通過某種圖像重建算法,可以得到被測對象在該管道截面上的分布的圖像[10]</p><p>　　屏蔽罩

17、 測量數(shù)據(jù) </p><p>　　電極 </p><p>　　絕緣管道 控制信號</p><p><b>　　徑向

18、電極</b></p><p>　　ECT傳感器 </p><p><b>　　ECT系統(tǒng)框圖 </b></p><p>　　圖像1是電容成像系統(tǒng)的一個示意圖，他是一個典型的電容成像系統(tǒng)它包括電容傳感器陣列、測量及數(shù)據(jù)采集電路、成像計算機三大部分。他的基本原理是在流體流

19、動的管道沿管道外部均勻地粘貼一些電容極板，使任意兩個極板均可組成一個兩端子得電容。管道內(nèi)兩相流動介質(zhì)的不同相分布會引起電容極板間介電常數(shù)變化，從而實現(xiàn)改變電容值的大小[11]。事實上，各對極板間的電容值包含了與分布有關(guān)的信息，并且，通過測量不同極板組合間的電容值并將送入計算機按一定的算法進行圖像重建，就能夠得到管道截面上的相分布的圖像。本文只對電容傳感器陣列、測量及數(shù)據(jù)采集電路兩部分進行研究[12]。</p><p&

20、gt;<b>　　1、電容傳感器陣列</b></p><p>　　以典型的8電極電容傳感器層析成像系統(tǒng)為研究對象，傳感器主要是由絕緣管道、檢測電極和屏蔽電極三部分構(gòu)成。絕緣管道一般采用陶瓷管，檢測電極一般由銅箔構(gòu)成。屏蔽電極主要由屏蔽罩和徑向電極組成，屏蔽罩一方面可抑制外界電場的干擾，另一方面可防止屏蔽罩之外空間的物質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化影響量電容值[13]。</p><p

21、>　　徑向屏蔽極板 絕緣管道壁</p><p>　　3 2 </p><p>　　4 1 </p><p>　　R1 R2</p><p><b>　　

22、R3</b></p><p>　　5 8</p><p>　　電容極板 6 7</p><p>　　絕緣填充材料 外屏蔽罩 </p><p><b>　　傳感器截面圖</b

23、></p><p><b>　　2、 數(shù)據(jù)采集電路</b></p><p>　　電容層析成像的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括多通道的數(shù)據(jù)采集控制，電容/電壓（C/V）轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換及通訊接口等。其中電容/電壓(C/V)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計是最關(guān)鍵也是最困難的。用于成像的數(shù)據(jù)就是由該系統(tǒng)采集并傳輸給計算機的，成像的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[14]。</p&

24、gt;<p><b>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</b></p><p><b>　?。?）研究難點</b></p><p>　　ECT技術(shù)以其具有的非侵入、結(jié)構(gòu)簡單和成本低等優(yōu)點,只要求各相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù),都可以應(yīng)用到該技術(shù)。但是目前狀況下仍存在著以下的主要問題[15]:</p><p>　　首先，微小電容檢

25、測靈敏度及抗干擾性要求高；</p><p>　　其次，電容測量的“軟場”問題,即敏感場分布受被測介質(zhì)分布的影響；</p><p>　　再次，在管壁上安置極板的數(shù)量受極板面積的限制,從而使得到的獨立電容的測量數(shù)據(jù)(即投影數(shù)據(jù))有限。</p><p>　　一般在一個ECT系統(tǒng)中，主要還有以下3個方面的雜散電容[16]。</p><p>　　1、用

26、于極板陣列控制電路的CMOS開關(guān)的耦合電容；</p><p>　　2、電容極板和電容測量電路之間的連線電容；</p><p>　　3、極板和接地屏蔽之間的電容；</p><p>　　以上3個方面加起來的雜散電容大于需被測的本體電容。因此需要一個強抗雜散電容的測量電路。 </p><p><b>　?。?）預(yù)期目標(biāo)</b&g

27、t;</p><p>　　1、對 ECT系統(tǒng)的基本構(gòu)成、發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的一些問題進行了解；</p><p>　　2、分析ECT系統(tǒng)各部分的工作原理； </p><p>　　3、發(fā)現(xiàn)電容測量中存在的主要問題，分析其電路的抗雜散電容的效果；</p><p>　　4、研究多種電容測量電路的基礎(chǔ)上，提出較高速的電容/電壓轉(zhuǎn)換電路；</p&g

28、t;<p>　　5、設(shè)計ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件控制電路，并對其中的主要部分的組成；</p><p>　　6、對ECT系統(tǒng)的靜態(tài)特性、靈敏度進行分析。 </p><p>　　4、研究工作詳細(xì)進度和安排</p><p>　　2011.12-2010.12.07 完成畢業(yè)設(shè)計的文獻檢索、資料查閱； 2010.12.10-2011.01.10

29、 完成外文翻譯、文獻綜述； 2010.01.11-2011.02.27    完成畢業(yè)實習(xí)及實習(xí)報告，開題報告； 2011.02.27-2011.05.02    完成畢業(yè)設(shè)計的最后細(xì)節(jié)要求； 2011.05.02-2011.05.25 完成畢業(yè)論文的評閱和答辯前的準(zhǔn)備工作； 2011.05.27-2011.05.29 完成畢業(yè)答辯。</p>

30、<p><b>　　5、參考文獻</b></p><p>　　[1] 趙進創(chuàng),傅文利,張錦雄,梁家榮. 電容層析成像系統(tǒng)傳感器設(shè)計新方法[J]. 工業(yè)儀表自動化裝置，2004. [2] 徐巧玉.電容層析成像系統(tǒng)關(guān)鍵問題的研究[D]：[碩士學(xué)位論文]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2004. [3] 余金華. 電

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