電容層析成像技術(shù)測量電路的設(shè)計【畢業(yè)設(shè)計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　電容層析成像技術(shù)測量電路的設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </p

2、><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>

3、　　按照探測器的種類分類,過程成像技術(shù)可以分為電磁輻射式的、聲學(xué)式的和電學(xué)式的。在電學(xué)式成像中,以電容、電阻、電感作為探測器的過程成像技術(shù),分別稱之為電容過程的成像技術(shù)(ECT)、電阻過程的成像技術(shù)(ERT)、電磁過程的成像技術(shù)(EMT)。</p><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

4、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。</p><p>　　ECT系統(tǒng)用電容測量電路：直流充放電電容測量電路和交流法電容測量電路。前一種的優(yōu)點是抗雜散電容、電路十分簡潔、價格低。而缺點主要是有漂移，而且會影響充電放電C-V電路的性能,使得電路性能降低。后一種電容測量電路則較好。它克服了直流沖/放電型所原有的不足【1】。 </p><p>　　因為電容層析成像系統(tǒng)的傳感器不同極

5、板對間的電容值一般都在1.0pF之下，屬于微電容測量的范疇，從而要求測量電路要有下面幾個特點：</p><p>　　首先要求抗分布電容能力。</p><p>　　然后也要求做到大量程及高靈敏度。</p><p>　　同時要有低漂移和高信噪比。</p><p>　　關(guān)鍵詞：過程成像技術(shù)，ECT系統(tǒng)，抗雜散電容，靈敏度</p>&l

6、t;p>　　Design of capacitance tomography technique to measure circuit</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　According to detector's type classification, the process image formation

7、technology may divide into the electromagnetism radiation formula, acoustics-like and the electricity type. In the electricity type image formation, by the electric capacity, the resistance, the inductance takes detector

8、's process image formation technology, calls it electric capacity process image formation technology (ECT), resistance process image formation technology (ERT), electromagnetism process image formation techn</p>

9、;<p>　　Present electric capacity image formation micro electric capacities survey method including its charging and discharging law, active method of difference, exchange law and so on. And the charging and discha

10、rging law and the active method of difference circuit structure is simple, but the electric circuit stability is not good, the signal-to-noise ratio is also low.</p><p>　　ECT system uses the electric capacit

11、y metering circuit: Direct-current charging and discharging electric capacity metering circuit and exchange law electric capacity metering circuit. The preceding kind of merit is the anti-stray capacity, the electric cir

12、cuit is very succinct, the price to be low. But the shortcoming mainly has the drifting, will affect the charge to discharge the C-V electric circuit's performance, will cause the electric circuit performance to redu

13、ce. The latter kind of elect</p><p>　　Because the electric capacity chromatographic analysis imaging system's sensor different pole plate to the capacitance value under 1.0pF, belongs to the category whi

14、ch generally the micro electric capacity surveys, thus the request metering circuit must have the following several characteristics: </p><p>　　First requests the anti-distributed capacity ability.</p>

15、<p>　　Then also requests to achieve the great measuring range and the high sensitivity.</p><p>　　At the same time must have the low drifting and the high signal-to-noise ratio. </p><p>　　K

16、ey word: Process image formation technology, ECT system, anti-stray capacity, sensitivity目錄</p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　一、 緒論1</b

17、></p><p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3電容層析成像技術(shù)的發(fā)展歷程2</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容3</p><p><b>　　1.5小結(jié)3</b></p><p>　　

18、二、設(shè)備方案設(shè)計與總體設(shè)計4</p><p>　　2.1電容層析成像系統(tǒng)的方案設(shè)計4</p><p>　　2.2電容層析成像系統(tǒng)總體設(shè)計4</p><p>　　2.2.1電容傳感器陣列4</p><p>　　2.2.2電容測量電路7</p><p>　　2.2.3控制電路的設(shè)計9</p>&l

19、t;p>　　2.3 極板控制電路的寄生電容10</p><p>　　2.4 耦合電容的軟件實時補償12</p><p>　　2.5 通訊接口芯片說明12</p><p><b>　　2.6 小結(jié)15</b></p><p><b>　　三、實驗結(jié)果16</b></p>

20、<p>　　3.1 AD536實驗結(jié)果分析16</p><p>　　3.1.1 AD536實驗16</p><p>　　3.1.2 結(jié)論17</p><p>　　3.2 靜態(tài)特性與靈敏度17</p><p>　　3.3 系統(tǒng)線性20</p><p>　　3.4 實用性22</p>

21、;<p><b>　　3.5 小結(jié)23</b></p><p><b>　　四、結(jié)論24</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄A 控制電路原理圖27</

22、p><p>　　附錄B C/V轉(zhuǎn)換電路原理圖28</p><p><b>　　一、 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b></p><p>　　在我們?nèi)粘Ｉ钪杏械母鞣N實用工業(yè)過程成像技術(shù)中，電容的成像技術(shù)（Electrical Capacitance Tomograph

23、y,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。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，發(fā)明出了一種在線監(jiān)測空隙率的16電極電容的成像系統(tǒng)（Capacitance Imaging System,簡稱CIT），該系統(tǒng)能方便應(yīng)用在對流化床中的物料密度三維分布地測試。電容

24、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【2】【3】。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　本課題的意義在于研究分析了一個完善的電容層析成像系統(tǒng),應(yīng)該要有以下的幾方面的特征:</p><p>　　第一電容層析成像系統(tǒng)的價格要是低的,能夠在比較廣的范圍上使用。&l

25、t;/p><p>　　第二實時性要佳,要能應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的實時檢測。同時應(yīng)具有較高的測量精度和圖像品質(zhì)。</p><p>　　第三電容層析成像系統(tǒng)要有較好的抗干擾性，同時也要確保其可靠性,能在較惡劣的環(huán)境下工作。</p><p>　　第四電容層析成像系統(tǒng)的軟、硬件應(yīng)盡可能的簡單。</p><p>　　電容流動層析成像的系統(tǒng)和超聲波流動層析成像的系

26、統(tǒng),因為其系統(tǒng)成本低、適用范圍廣泛、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分簡單、非侵入性的傳感器、安全性能好等特點,一定能夠得到繼續(xù)發(fā)展,并具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景【4】【5】。</p><p>　　并且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。在國內(nèi)、外方面,對

27、層析成像技術(shù)的研究,都有了一定的進展。</p><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。</p><p>　　ECT系統(tǒng)用電容測量電路：直流充放電電容測量電路和交流法電容測量電路。前一種的優(yōu)點是抗雜散電容、電路十分

28、簡潔、價格低。而缺點主要是有漂移，而且會影響充電放電C-V電路的性能,使得電路性能降低。后一種電容測量電路則較好。</p><p>　　總而言之,隨著現(xiàn)代工業(yè)化的不斷進步,對過程層析成像系統(tǒng)的實時性、精確度和圖像品質(zhì)的要求也提高了, 多模型、多機理的層析成像技術(shù)將是解決這一問題的一個十分有效的方法,并且也是過程層析成像技術(shù)的一個重要的發(fā)展趨勢。</p><p>　　1.3電容層析成像技術(shù)的

29、發(fā)展歷程</p><p>　　兩相流的技術(shù)學(xué)科在經(jīng)濟發(fā)展之中有著十分重要的位置，相對于單相流的體系，兩相流的體系不僅僅是流動特性的復(fù)雜，而且還有界面效應(yīng)以及相對速度。</p><p>　　到現(xiàn)在為止，兩相流的檢驗測量技術(shù)之中最為關(guān)注的主要就有分相含率、流型、流體的流速、體積的流量、質(zhì)量的流量等等，并且根據(jù)這些數(shù)據(jù)的測得，不論是在國內(nèi)還是在國外，工作在兩相流檢測技術(shù)的研究的專家嗎作出巨大的貢

30、獻，其使用地技術(shù)可以基本上劃分為三個類別：</p><p>　　傳統(tǒng)的單相流檢測技術(shù)與儀表和兩相流檢測模型相結(jié)合的測量方法</p><p>　　應(yīng)用近代新技術(shù)的測量方法</p><p>　　在成熟的硬件基礎(chǔ)上，以計算機技術(shù)為支撐平臺，應(yīng)用基于軟件測量技術(shù)的測量方法</p><p>　　在過程層析成像的技術(shù)研究方面,在國外，歐洲的一些國家目前處

31、于領(lǐng)先地位。英國曼徹斯特理工大學(xué)(Uni2versity of M anchester Institute of Science and Technol2ogy,簡稱UM IST)研究小組首先提出的“流動成像”的概念,他們研制成功的8電極電容層析成像系統(tǒng);還有，英國開發(fā)研制的PTL2200、PTL2300等ECT系統(tǒng),最快速度可以超過200幀/秒;還有，美國國家實驗室研制的電阻層析成像技術(shù)在核廢料場監(jiān)測上有很大的應(yīng)用,為核廢料儲存場的各

32、項性能提供了數(shù)據(jù)。全球其他的國家也對過程層析成像的技術(shù)開展了積極的長期研究。</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就開始從1992年起每年召開一次會議,其目的就在于方便各地交就自己的流研究成果交換意見,并且為過程層析成像技術(shù)的發(fā)展方向指出方向。以及，ECAPT的有關(guān)組織機構(gòu)得到了大筆的研究基金,并且，組建了過程成像技術(shù)中心VCIPT(The V

33、irtual Centrefor Industrial Process Tomography)。而且，在1999.4召開了首屆世界工業(yè)過程成像的會議。2003年第三屆會議在加拿大召開,這次會議以圖像重建算法、硬件系統(tǒng)以及過程成像技術(shù)在工業(yè)過程等各方面的應(yīng)用。</p><p>　　在中國中科院過程所與曼徹斯特大學(xué)合作且在1999年完成了交流激勵系統(tǒng)的圖像成像的軟件,并對成像系統(tǒng)進行的改進,使得12電極ECT探測系統(tǒng)

34、采集速度達到了140幅/秒。他結(jié)合典型實際應(yīng)用的話題,有關(guān)于EIT、ECT過程成像德基礎(chǔ)理論以及關(guān)鍵技術(shù)研究的基金重點項目正在執(zhí)行過程中。</p><p>　　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【6】【7】。</p><p

35、>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容</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；</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

36、進行實驗；</p><p><b>　　1.5小結(jié)</b></p><p>　　過程成像(PT:Process Tomography)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)。</p><p>　　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

37、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。</p><p>　　本章主要介紹了課題的來源、意義以及簡單說明了本課題的主要研究內(nèi)容。</p><p>　　二、設(shè)備方案設(shè)計與總體設(shè)計</p><p>　　2.1電容層析成像系統(tǒng)的方案設(shè)計</p>

38、<p>　　電容層析成像(Electrical Capacitance Tomo2graphy,ECT)的技術(shù)的主要原理是:位于管道內(nèi)部的具有不同的介電常數(shù)的各相介質(zhì)在運動時, 其分布不是一成不變的,通過電容傳感器測得的各測量數(shù)據(jù)，能夠反映出整個管道內(nèi)介電常數(shù)的分布情況,然后將這些測量獲得的數(shù)據(jù)輸入計算機中，進行數(shù)據(jù)處理,可以得到被測對象在該管道截面上的分布的圖像。</p><p>　　圖2-1電容層

39、析成像系統(tǒng)設(shè)計方案</p><p>　　圖2-1是電容成像系統(tǒng)的一個示意圖，這是一個典型的電容成像系統(tǒng)。它包括三大部分：電容傳感器陣列、測量及數(shù)據(jù)采集電路和計算機成像系統(tǒng)。他的主要原理是在管道外部均勻地粘貼一些電容極板，使其任意兩個極板都能組成一個兩端子的電容。由于管道內(nèi)分布著不同相分布的介質(zhì)，因此會引起電容極板間介電常數(shù)變化，進而產(chǎn)生不同的電容值。其實，各對極板間所測得的電容值都蘊含著與分布有關(guān)聯(lián)的信息，而且，

40、測量不同極板組合間的電容值并將其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分布圖像【8】。</p><p>　　2.2電容層析成像系統(tǒng)總體設(shè)計</p><p>　　2.2.1電容傳感器陣列</p><p>　　一般地 ，對于一個N電極系統(tǒng)，可得到的獨立的電極對組合數(shù)N為：</p><p>　　以典型的8電極電容傳感器層析成像系

41、統(tǒng)為例子，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，屏蔽罩一是可防止外界電場的干擾，另一個事能防止屏蔽罩之外空間的物質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化影響電容值。把8個極板的某一極板設(shè)為起點，順次為極板編號，得到編號依次為1, 2,…，8的極板。在第一次測量時，先把極板1作為源極板，然后將其與剩下的極板1、2、3…8分別組成電極對，分別編號為1-2, 1-

42、3,…，1-8。再對這七對極板進行電容測量，值得注意的是在每次測量過程中，閑置電極都是需要與地相連接的。然后，進行第二次測量，與第一次測量類似，只要把極板1換成極板2即可。最后，在8電極的系統(tǒng)中總共能夠測量得到28個測量值，并且按上述的順序進行編號：C1,C2,.…, C28。在考慮單個電容并注重電容的來源時，一般用表示極板對i-j間的電容。</p><p>　　管道內(nèi)不同位置的介質(zhì)由于介電常數(shù)不同，在對同一對極

43、板對測量電容值時回產(chǎn)生不同的影響。相反的，管道內(nèi)同一點的介質(zhì)雖然介電常數(shù)相同，但在對不同對極板對進行電容測量時也會對電容值產(chǎn)生不同的影響。因此，可以理解為在對每對極板對進行電容的測量時，事實上是在對管截面內(nèi)介質(zhì)的掃描。每個測得的電容值可以當(dāng)成是管道內(nèi)的介質(zhì)本身的特性數(shù)據(jù)。對于一個8電極的測量系統(tǒng)，一遍完整的電容測量過程，就能得到28個數(shù)據(jù)，電容層析成像技術(shù)就是利用這些數(shù)據(jù)來獲取各相參數(shù)和進行圖像重建的。</p><p

44、>　　電極數(shù)增加，則電容測量值也就增多，對圖像重建越有利，但會使電容測量的靈敏度降低，對測量精度有不利的影響。延長了數(shù)據(jù)采集和圖像重建的時間，使系統(tǒng)實時性將降低。電極的張角也存在著一個最佳值，過大或過小對測量都會產(chǎn)生不利影響【9】【10】【11】。</p><p>　　管壁厚度在滿足一定的機械強度的條件下應(yīng)適當(dāng)薄一點。因為電容傳感器的高靈敏區(qū)一般都在管壁附近，管壁太厚時，雖然機械強度增加了，但是電容傳感器靈

45、敏度卻下降了。</p><p>　　傳感器的空管/滿管電容變化反應(yīng)了傳感器的整體敏感度，其數(shù)值越大傳感器的整體靈敏度越高，因此空管滿管電容變化量可作為傳感器性能的一個重要指標(biāo)。為了研究傳感器中各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感器性能的影響程度，下面對8電極的傳感器進行性能的分析：R1=2.55cm，R2=3.15cm，R3=3.65cm，為30°角，N=8,管道壁的介電常數(shù)、絕緣填充材料的介電常數(shù)都是5。對電容傳感器進

46、行分析詳情見表1，表2。</p><p>　　表1 空管電容值變化 單位 pF/m</p><p>　　表2 滿試管電容值變化 單位 pF/</p><p>　　經(jīng)過對管道壁的厚度以及極板的寬度的理論和實驗上的分析，可以得出最佳傳感器參數(shù)如下：</p><p>　　表3 最佳傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù) &l

47、t;/p><p>　　2.2.2電容測量電路</p><p><b>　　高速C/V轉(zhuǎn)換電路</b></p><p>　　在震蕩電路中已知電容與頻率有如下的關(guān)系：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中，L 一的電感：C一等效電容。</p&

48、gt;<p>　　在電路中若電容Cx發(fā)生變化則會使頻率也隨著發(fā)生變化 ，于是就能將振蕩頻率的變化來反映電容值的變化。</p><p>　　而電容一般由傳感器的電容Cx，諧振電路中的固定電容Cg及電纜電容Cc組成，即：</p><p>　　C= CX +Cg +Cc ( 2-2)

49、</p><p>　　將頻率的信號再轉(zhuǎn)換成電壓信號。由于振蕩頻率可以很高，因此靈敏度可以達到較高水平【12】【13】。</p><p>　　雖然A C型C/V轉(zhuǎn)換電路己有在電容層析成像技術(shù)中使用，但它仍有許多的缺點。分析得到：</p><p>　　目前的AC型轉(zhuǎn)換電路的激勵信號幅值都是固定的，在測量中導(dǎo)致傳感器的相鄰極板對的輸出很大而相對極板對的輸出很小，從而影響了

50、成像質(zhì)量；</p><p>　　目前AC型轉(zhuǎn)換電路都是單模式工作，即非反饋模式或負(fù)反饋平衡模式。如果將兩者集成在一起，則該電路不僅可適用于不同的應(yīng)用場合，而且電路造價低；</p><p>　　根據(jù)以上思路，結(jié)合實際研制了一種C/V轉(zhuǎn)換電路。電路結(jié)構(gòu)如上圖所示。</p><p>　　通過控制開關(guān)K來選擇電路的工作模式:非反饋、負(fù)反饋方式。乘法器A的輸入信號使激勵信號的

51、幅值可變。最終的輸出量包含著兩個電容：本體電容和實際電容。由于本體電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際電容變化量，如果交流放大器放大倍數(shù)過大，則易出現(xiàn)飽和，而放大倍數(shù)過小時，輸出不易表現(xiàn)實際電容的變化量。因而，要把本體電容去掉：增加標(biāo)準(zhǔn)補償電容Cb，原則上是給Cb的一極加一同頻反相的正弦信號，也就是在最前極平衡掉本體電容。Cx、Cb的一端與放大器D的反相輸入端相連接，他們的另一端分別與兩乘法器(測量乘法器A、補償乘法器B)的輸出端相連接，然后將這兩個乘法器

52、的一個輸入端連接在一起，再與正弦信號激勵相連接，而它們的另外的一端則與控制器輸出的直流電壓信號(S1，S2)相連接，由控制器控制的這兩個直流電壓信號由于檢測到了反饋信號，然后會經(jīng)計算給出數(shù)據(jù)，通過以上控制過程，原則上可使系統(tǒng)在每次正式測量前進行自校準(zhǔn)，抵消掉本體電容。</p><p>　　下面分析針對微小電容的測量是否要利用反饋。</p><p>　?。?）非反饋模式 </p>

53、;<p>　　工作原理：假設(shè)一個頻率為=400KHZ的信號由發(fā)生器產(chǎn)生，正弦信號V2是由正弦信號V1（幅值 為V）,與一個一給定的系數(shù)通過乘法器A相乘而得到的信號，用它來激勵被測電容Cx,然后經(jīng)檢測器U產(chǎn)生一交流電壓V3 </p><p>　?。?-3）

54、 </p><p>　　式中，所以參數(shù)滿足，那么上式變?yōu)椋?</p><p>　　（2-4） </p><p>　　從式(2-4)容易看出 , 被測電

55、容值與輸出電壓值對應(yīng)成正比。交流放大器D會把它放大為V4，從AD536中出來就變成為直流電壓V5。最后，對8個極板的測量數(shù)據(jù)，存儲在DSP的RAM里。</p><p><b>　　（2）反饋模式</b></p><p>　　工作原理：在第一步的非反饋模式下測得本體電容的大小的前提下，與在非反饋模式時相同，然后通過控制芯片把一個保存在于DSP中的電容的值，通過乘法器B,

56、然后又與在非反饋模式時相同的操作。</p><p>　　下面進行分析比較：在理論上第一步和第二步都是可以的，但是事實上，非反饋模式下是不適合的。由于要求對微小電容的進行數(shù)據(jù)測量，在非反饋模式下V2是很大的，但是AD536直流的測量范圍很是有限，如果進行放大，則容易造成失真現(xiàn)象。所以一定要在反饋模式下才能對于放大倍數(shù)進行選取。</p><p>　　解決方案1：可以讓系統(tǒng)一直工作在反饋模式下，

57、但是必須先把反饋系數(shù)測出存入DSP中，然后再進行最后測量時在測出變化量時減去這個系數(shù)。</p><p>　　解決方案2：也可以先把放大倍數(shù)算出來，由于把硬件固定后，放大倍數(shù)是固定不變的。這樣就可以把本體電容給消掉了。</p><p>　　2.2.3控制電路的設(shè)計</p><p><b>　　系統(tǒng)控制電路</b></p><p

58、>　　整個硬件電路系統(tǒng)的控制電路部分如圖所示，是把DSP2407芯片做為核心，首先通過對空管進行測試，將標(biāo)定系數(shù)存儲在DSP的RAM中，接著通過對芯片74LS373的控制，實現(xiàn)多路選擇器MAX351對極板接地，檢測，激勵狀態(tài)的選擇，而對應(yīng)的反饋系數(shù)則由DAC0832給出一個模擬值[14][15]?？刂齐娐返碾娐穲D可以參見附圖A。</p><p>　　DSP器件，是本系統(tǒng)控制的核心。它在單片處理器中集成了DS

59、P內(nèi)核（運算能力為30 MIPS）、事件管理器、PWM輸出接口、雙工A/D轉(zhuǎn)換器、ROM程序存儲器等資源 [17]。</p><p>　　與本運動控制器相關(guān)的TMS320LF2407的芯片資源介紹如下[18]：</p><p>　　1．使用了高靜態(tài)的CMOS技術(shù)，這樣供電電壓就能夠下降到3.3V了，而且降低了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行的速率能夠使指令周期大大縮短，大約可以縮短到33n

60、s(30MHz)，進而提高了控制器地實時性的控制力；</p><p>　　2．在基于TMS320C2xxDSP之上的CPU能夠保證TMS320LF240X系列的DSP代碼與TMS320系列的DSP代碼進行十分好的兼容；</p><p>　　3．還有其FLASH程序存儲器在它的內(nèi)部，可高達32K字。而高達到1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM，雙口的RAM（DARAM）以及單口的RAM（SARAM）

61、；</p><p>　　4．EVA和EVB作為兩個事件的管理器件，它們各自包含了：16位的通用定時器兩個；16位的脈沖調(diào)制通道8個。而且，它們都可以實現(xiàn)如下功能：三相的反相控制；PWM的不對稱和對稱的波形；在外部的引腳PDPINTx呈現(xiàn)出低電平的時侯可較快的關(guān)閉PWM通道；可編程的PWM的死區(qū)控制則可以防止上、下橋臂在同一時刻輸出一觸發(fā)的脈沖；捕獲單元3個；在芯片內(nèi)部的光電編碼器的接口電路；A/D轉(zhuǎn)換器(具有16

62、通道)。其事件管理器件應(yīng)用在控制無刷直流電機、交流的感應(yīng)電機、步進電機、開關(guān)磁阻電機、多級電機以及逆變器上；</p><p>　　5．被擴充的共192K字的外部存儲器（LF2407）：64K字的程序存儲器件；64K字的數(shù)據(jù)存儲器件；64K字的I/O尋址空間等；</p><p>　　6．WDT（叫做看門狗定時器模塊）；</p><p>　　7．還有一個基于鎖相環(huán)的時鐘

63、發(fā)生器；</p><p>　　8. 高達四十個的能獨立編程或者復(fù)用的通用輸入/輸出的引腳（簡稱為GPIO）；</p><p>　　9．有外部中斷5個（包括了電機驅(qū)動保護、復(fù)位以及2個可屏蔽的中斷）。</p><p>　　電源管理器則包含了3種低功耗的模式，而且它能夠獨立的把外部的設(shè)備器件變成低功耗的模式。</p><p>　　2.3 極板控

64、制電路的寄生電容</p><p>　　ECT系統(tǒng)在工作時對測量電容值(投影數(shù)據(jù))的采集是按一定規(guī)則進行。對于一個由8極板構(gòu)成的傳感器，如圖2-1。采樣過程是這樣進行的: 先把極板1作為源極板，然后將其與剩下的極板1、2、3…8分別組成電極對，分別編號為1-2, 1-3,…，1-8。再對這七對極板進行電容測量，值得注意的是在每次測量過程中，閑置電極都是需要與地相連接的。然后，進行第二次測量，與第一次測量類似，只要把

65、極板1換成極板2即可。最后，在8電極的系統(tǒng)中總共能夠測量得到28個測量值，并且按上述的順序進行編號：C1,C2,.…, C28。</p><p>　　圖(a)中為獨立的C/V轉(zhuǎn)換電路，圖(b)為共用一套C/V的轉(zhuǎn)換電路。由圖中可見，當(dāng)電極i為激勵電極、電極j為檢測電極時，激勵信號的寄生電容Ccj藕合到放大器的輸入端，同時開關(guān)Sej的輸入電容與寄生電容也增加了輸入端的雜散電容。本系統(tǒng)中擬采用每路電極共用一套C/V轉(zhuǎn)

66、換電路[19][20]。</p><p>　　a：獨立的C/V轉(zhuǎn)換電路 b：共用一套C/V轉(zhuǎn)換電路</p><p><b>　　極板控制電路</b></p><p>　　現(xiàn)將圖(a)表示為如下圖</p><p>　　電子開關(guān)寄生電容等效圖</p><p>　　在成像裝置中，對于靈敏

67、度較高的C/V轉(zhuǎn)換電路來說耦合電容的極細(xì)微的變化都會使輸出發(fā)生一定的變化，從而影響到其穩(wěn)定性。</p><p>　　2.4 耦合電容的軟件實時補償</p><p>　　簡單說明軟件實時補償法其實就是通過控制其虛擬開關(guān)的閉合連接與分開的前后時間上的順序，然后分別測出只有Ccj，Cci存在，Cx不存在以及Ccj，Cci，Cx都存在時的兩個輸出值，并求出兩者之差。這樣就能得到不受耦合電容影響的數(shù)

68、據(jù)。</p><p>　　2.5 通訊接口芯片說明</p><p>　　做為一整個完整的數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)，使用USB 的接口從而來滿足移動存儲設(shè)備的要求是必需作的事，從而此系統(tǒng)使用的通訊接口是USB通訊接口設(shè)備。</p><p>　　這里 USB2.0的標(biāo)準(zhǔn)擁有高達480Mbps的傳輸速度，現(xiàn)早已漸漸變成計算機接口的主流標(biāo)準(zhǔn)了。本課題選用的2.0標(biāo)準(zhǔn)接口芯片是CH375

69、，它是一種性能已經(jīng)被優(yōu)化了的USB 的接口電路了，它與外面地微型控制器的接口是十分的簡單的、而且它還具有應(yīng)用十分的靈活、調(diào)試使用也十分的方便和，并且其性價比很高，使用CH375就能夠較快速的研制出較高性能的USB2.0的通訊設(shè)備了。</p><p>　　這里先介紹CH375。CH375其實是一種國產(chǎn)的USB通用的芯片用于通訊接口，并且他還支持USB與HOST主機的方式以及USB與DEVICE/SLAVE設(shè)備的方法

70、。在此，這種CH375芯片還擁有8位的數(shù)據(jù)總線以及能讀、能寫、片選擇控制線和中斷的方式來輸出，它能夠方便的連接到單片機/MCU/DSP/MPU等的控制器的系統(tǒng)總線之上。在USB的主機形式之下，這種CH375芯片還能提供一種稱為串行通訊的方法了，可以通過串行方法輸入、串行方法輸出和中斷方法輸出與單片機/MCU/DSP/MPU 等設(shè)備的聯(lián)接，這種方式的特色是：</p><p>　　1. 全速的USB與HOST 主機的

71、接口設(shè)備，與USB V2.0兼容，外圍的元器件其實只須晶體以及電容就可；</p><p>　　2. 全速的設(shè)備接口，能夠的完全的與CH372芯片兼容，它能夠支持非靜態(tài)的變換主機和設(shè)備的方法；</p><p>　　3. 主機的端點其輸入緩沖區(qū)和主機端點的輸出緩沖區(qū)各自有64的字節(jié)，支持我們?nèi)粘Ｊ褂玫?2Mbps 的全速的USB的接口設(shè)備；</p><p>　　4. 對

72、于能夠支持USB接口設(shè)備的批量的傳輸、控制的傳輸、中斷的傳輸?shù)龋?lt;/p><p>　　5. 能夠自動的測試USB接口設(shè)備的聯(lián)接與中斷，可以提供其設(shè)備聯(lián)接與中斷的記錄通知；</p><p>　　6. 有內(nèi)置的控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器；</p><p>　　7. 有內(nèi)置的固定器件來處理大量存儲設(shè)備的專用通信得協(xié)議，可以支撐Bulk-Only傳輸協(xié)議以及UFI、SCSI、RB

73、C 或等效命令集的USB 接口存儲設(shè)備（其中還包含了USB 的閃存盤/USB 的硬盤/U 盤）；</p><p>　　8. 經(jīng)過U 盤子程序庫來完成單片機的讀與寫USB的存儲設(shè)備之中的文件；</p><p>　　9. 并行的接口包括了8 位的數(shù)據(jù)總線，4 線的控制：包括了寫入選通、讀出選通、片選的輸入、中斷的輸出；</p><p>　　10. 而串行的接口中包括了串

74、行的輸入、串行的輸出、斷開的輸出，可以通訊波特率的非靜態(tài)的調(diào)整；</p><p>　　11. 可以使用5V 的電源電壓源和3.3V的電源電壓，而且此芯片支持低功耗方式。</p><p>　　這種CH375芯片可以使用5V的電源電壓和3.3V 的電源電壓。</p><p>　　首先如果接上5V 的電源電壓時侯，這種芯片的VCC 的引腳就要輸入從外部引進的5V 的電源，

75、而且V3 的引腳需要從外部接入大約0.01uF 的電源的退耦電容。</p><p>　　然后如果接上3.3V 的電源電壓的時侯，這種芯片的V3的引腳需要和VCC引腳聯(lián)結(jié)，與此同時需要從外部輸入電壓為3.3V 的電源電壓，而且和CH375 芯片聯(lián)結(jié)的其它一些的電路的電壓，在電路工作是不可以高于3.3V。</p><p>　　DSP 與CH375相連接的電路圖如下圖2-5-2 所示。這種芯片

76、的8 位并行的接口可以和DSP 的低8 位的數(shù)據(jù)線直接相連接。WR 和RD 可以與DSP 的WR 和RD 信號線相聯(lián)結(jié), DSP 的A0地址線 和CH375 的端口A0 相聯(lián)結(jié), 做為CH375 芯片的命令以及它的數(shù)據(jù)端口的挑選, 其片選信號則可以通過GAL16V8可編程邏輯器件，產(chǎn)生邏輯之后產(chǎn)生的片選信號來使用。而用于CH375 芯片內(nèi)部的電源節(jié)點的退耦電容C4,則可以使用1000pF～0.01uF 的高頻磁片電容。而用于CH375芯

77、片的電容C3 以及電容C5 則組成了外部的電源退耦。時鐘振蕩電路則有以下部分組成：Y1晶體、電容C1 以及電容C2, 而Y1則選擇頻率為12MHz的晶振, 電容C1 以及電容C2則使用電容為15pF～30pF 的獨石、高頻磁片的電容。斷開端口和DSP外部的中斷相聯(lián)結(jié), 此時為下降沿時方有效[21][22]。</p><p>　　在這整個的通訊系統(tǒng)之中，芯片DSP可以說是處于核心的重要的地位的。而且，TMS320F

78、2407芯片是隸屬于T I公司下的2000系列的DSP芯片，它可以做為測量控制使用的16位的定點DSP芯片，其速度可以達到20MIPS。這種芯片可以應(yīng)用于電力能源系統(tǒng)、電機的拖動、工業(yè)工程的自動化系統(tǒng)、信息業(yè)家電業(yè)等等的領(lǐng)域。</p><p>　　而28x 系列不僅擁有很高的性能的C2xx CPU的內(nèi)核，而且，其芯片還裝有十分高速度的數(shù)字信號處理器的結(jié)構(gòu)，與此同時還擁有單片機控制地外設(shè)功能等。此芯片可以把數(shù)字信號

79、處理器中的高速度的運算功能和巨大控制力相結(jié)合在一起。</p><p>　　圖2-5-1 TMS320F2407外圍電路圖</p><p>　　而F2407與CH375的聯(lián)結(jié)使用通用處理器的模式，也就是把8位的地址總線與16位的數(shù)據(jù)總線相隔離。它們的數(shù)據(jù)交換模式則使用了中斷的方式。</p><p>　　CH375芯片的叫醒功能的引腳WAKEUP聯(lián)接到F2407芯片的

80、一個常用的v0 接口之上;</p><p>　　而RPU引腳則經(jīng)過1.5k 的電阻器來上拉;PREF引腳通過12.0k精密電阻器接模擬地;</p><p>　　引腳MODE 在通用處理器的模式下時也應(yīng)該要使用上拉;</p><p>　　引腳BUS-ONF的功能則是挑選總線的模式，然后上拉，成為通用處理器模式;</p><p>　　引腳MODE

81、O則被用來挑選通用處理器的模式之下的讀與寫的功能，當(dāng)它實現(xiàn)上拉之后做為8051型。此種電路的內(nèi)部組合了用于復(fù)位的電路，再將RESET引腳聯(lián)結(jié)高電平那么久能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)位了[23][24]。</p><p>　　圖2-5-2 CH375與DSP接口原理框圖</p><p><b>　　2.6 小結(jié)</b></p><p>　　本章主要說明了電容層析

82、成像技術(shù)電路的設(shè)計。一個電容層析成像技術(shù)電路硬件主要是傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集與處理（包括控制傳輸部分）組成。以8電極傳感器為例，分析了影響傳感器結(jié)構(gòu)及其主要性能。并且對高速C/V轉(zhuǎn)換電路進行了討論。再是對控制電路的分析。作為一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還設(shè)計了一個通訊接口電路。</p><p><b>　　三、實驗結(jié)果</b></p><p>　　3.1 AD536實驗結(jié)果

83、分析</p><p>　　3.1.1 AD536實驗</p><p>　　在轉(zhuǎn)換電路中， AD536是最為關(guān)鍵的芯片，下面對AD536來做線性分析[25]</p><p>　　其中X軸表示輸出有效值，Y軸表示輸入有效值</p><p>　　AD536外圍電路圖</p><p>　　對于電壓有效值轉(zhuǎn)換器AD536，作為

84、一種新型的求有效值芯片，對輸入電壓依次進行“取絕對值→平方/ 除法→取平均值”運算，就能得到交流電壓的有效值。這樣只要對AD536的輸出V5(t)進行采樣就可以得出相應(yīng)的電壓值V4(t)。</p><p><b>　　3.1.2 結(jié)論</b></p><p>　　當(dāng)輸入信號周期為2.5μs時，輸入電壓大于500mv時誤差小于5%，</p><p&g

85、t;　　小于500mv后輸出值與輸入值差距明顯變大，誤差變大，說明輸入電壓越大對輸出的精度越高，C1為隔直電容（要無極性電容），其值為0.01μF。正負(fù)電源接0. 1μF 的去耦電容。所以CAV 取值應(yīng)為0.01uF。</p><p>　　可以得出AD536的線性度是比較好的，可以滿足實驗的要求。</p><p>　　由式(2-1)可見，由及 組成的反饋阻抗決定了該電路的響應(yīng)速度和帶寬。這

86、個低通濾波電路的帶寬對電路的測量速度有著十分重要的影響。正弦激勵信號的頻率對系統(tǒng)地精確性也有著重要的影響，越高系統(tǒng)精確性越高。</p><p>　　3.2 靜態(tài)特性與靈敏度</p><p>　　C/V轉(zhuǎn)換電路圖見附錄B，</p><p>　　首先對照C/V電路圖來測試下兩種情況下的數(shù)據(jù)。</p><p>　　1：電容和開關(guān)并聯(lián)連接</p

87、><p>　　在實驗中=400KHz ，V1(t)=3V ，2V（峰值），Cf1=5pF，Rf1=500k ，R=5K </p><p>　　取5pF—20Pf。</p><p>　　并聯(lián)C/V轉(zhuǎn)換電路的測量數(shù)據(jù)</p><p>　　從表格中的數(shù)據(jù)能夠總結(jié)出：在電壓V2(t)穩(wěn)定的時候，Cx的值與結(jié)果V5(t

88、)呈現(xiàn)不錯的線性關(guān)系，如：當(dāng)V2(t)=2V,為5pf ,那么V5(t)=911mV，為2.5pf 則 V5(t)=454mv則有。</p><p>　　在表格中還能總結(jié)到 V3(t)→V4(t)其中放大了1.02倍這樣可得出：，V3t)/V4(t) =1.02，即V4(t)=V3(t)*1.02 </p><p><b>　　2：其中和開關(guān)相連</b></p&

89、gt;<p>　　在實驗中=400KHz ，V1(t)=10V（峰值），Cf1=5pF，Rf1=500k ，R=5K </p><p>　　串聯(lián)C/V轉(zhuǎn)換電路的測得的值 </p><p>　　由于V3(t)/V4(t) =1.01 則得出 V3(t)的值。 </p><p>　　再根據(jù)式子,可得出的值（因為V3(t)的從上式得出，Cf1=

90、5pF，V2(t)=10V）。</p><p>　　由于1-4和1-5它們的V4(t)低于50mV，因為低于50mV AD536將不能進行測試。</p><p>　　因為在現(xiàn)實中有誤差的存在：虛擬開關(guān)的電荷注入造成的誤差和來源于外部的干擾，相位差很難為零，在傳輸?shù)倪^程中信號線的雜散電容就不可能被完全抵消了，上面這些都會使得在實際的測試過程中的線性度、靈敏度和理論值不能完全的相等。</

91、p><p>　　接下來是使用值為0.5pf、l.0pf、2.0pf、3pf、5pf的這五個電容值對第一個的通道檢測的線性度和靈敏度的檢測分析。測量的時候，其中它的反饋系數(shù)為B=0.157v，而激勵電壓為Vs=5v，激勵頻率則是400kHZ。接著再把選定好了的電容值連接在激勵端和檢測端之間的被測的電容的位置。通過采集電路再進行分析檢測，并且，不同的電容值要各自進行5次測量。已知圖上的直線是擬合的值，而圖上的點是實測數(shù)值

92、。</p><p>　　現(xiàn)在使用點來精確度來進行對這個電路進行靜態(tài)特性指標(biāo)的評估。利用如表中的數(shù)據(jù)來進行最小二乘法的擬合，從而獲得最小二乘法擬合直線的方程就是：μ=1.011十0.17017V。已知誤差理論，那么根據(jù)擬合的直線和校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)便可獲得：靈敏度為11.3446mV/ml，而非線性的誤差值為0.176%，遲滯和重復(fù)性的誤差之和就是0.106%，靜態(tài)測量時的誤差低于0.21%，通過回歸性的分析從而獲得回歸函

93、數(shù)是：y=2.3165x-0.8417，線性的相關(guān)系數(shù)是0.9999610,因此根據(jù)前面的函數(shù)就可以知道，此系統(tǒng)的靈敏度是：2.315v/pf。</p><p>　　根據(jù)前面的實驗數(shù)據(jù)可以看出，這個C/V轉(zhuǎn)換電路的靜態(tài)特性以及靈敏度是非常高的，可以較好的適應(yīng)本次設(shè)計的電路的目標(biāo)。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的電容經(jīng)由C/V 電路輸出表 單位：mv</p>

94、<p>　　標(biāo)準(zhǔn)的電容經(jīng)C/V 電路之后的輸出值和擬合值的曲線圖</p><p><b>　　3.3 系統(tǒng)線性</b></p><p><b>　　數(shù)據(jù)3：</b></p><p>　　這之中傳感參數(shù)看下表，就把煤粉做為被測的物體，試管放置的部位是傳感器中間且靠壁的位置。</p><p&g

95、t;　　試管M＝41.2g 全管中物體的重量＝22.1g　</p><p>　　激勵V＝3.0v，Cb=15.0pF f=400.0kHz </p><p>　　各個極板之間沒有物體和有物體時，電路的電壓輸出的值的變化 </p><p>　　1-2 極板對 沒有試管且沒有物體時的V輸出＝801mv</p><p>　　1-3

96、 極板對 沒有試管沒有物時的V輸出＝303mv</p><p>　　1-4極板對 沒有試管且沒有物時V輸出值＝63mv</p><p>　　1-5 極板對 沒有試管且沒有物時的V輸出值＝42mv</p><p>　　1-6 極板對 沒有試管且沒有物時的V輸出值＝162mv</p><p>　　1-7 極板對 沒有試管且沒

97、有物時的V輸出值＝462mv</p><p>　　1-8極板 沒有試管且沒有物時V輸出值＝912mv</p><p>　　數(shù)據(jù)4：激勵值V為4v, Cb為15uf ，f為400KHz 沒有試管且沒有物時的V輸出值為1.20V</p><p>　　經(jīng)以上的一些的表格能夠得出，無論是Cx1 ，還是Cx2在1/3,2/3,3/3試管中的時候其比都能呈現(xiàn)很好的線性

98、。</p><p>　　因此能夠總結(jié)得到不管是試管里有物體的還是試管中沒有物體的，其輸出的電壓值，其變化都能呈現(xiàn)很好的線性的，所以能夠肯定此線路是十分可信得。</p><p><b>　　3.4 實用性</b></p><p>　　采用煤粉作為管內(nèi)被測物質(zhì)，對煤粉的質(zhì)量分別取0.2kg,0.4kg,0.8kg，激勵電壓為10V，頻率為400K

99、HZ，具體所測得的電壓值如表所示</p><p>　　系統(tǒng)實用實驗所測電壓值 單位：V</p><p>　　由以上實驗結(jié)果可以明顯看出，該電容成析成像系統(tǒng)可有效的應(yīng)用到實際中，可以對靜態(tài)物質(zhì)進行測量。</p><p><b>　　3.5 小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對系統(tǒng)的靜態(tài)特性、靈敏度

100、、線性和實用性進行實驗結(jié)果分析。數(shù)字化測量電路和控制電路完全能夠達到要求，具有很好的線性和靈敏度。</p><p><b>　　四、結(jié)論</b></p><p>　　本文以8電極電容層析成像系統(tǒng)為研究對象，本文研究了C/V轉(zhuǎn)換電路精度與速度，多種圖像重建算法的比較，傳感器優(yōu)化設(shè)計等方面的有關(guān)問題。</p><p>　　本文的主要結(jié)論如下：<

101、;/p><p>　　1. 首先對 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,并且從理論上分析了分析ECT系統(tǒng)各部分的工作原理； </p><p>　　2. 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。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，而且具有較好的線性度和較好的穩(wěn)定性，適用于ECT系統(tǒng)；</p><p>　　3

102、. 采用軟件實時補償法可以消除極板陣列控制電路CMOS開關(guān)耦合電容對ECT系統(tǒng)動態(tài)成像的穩(wěn)定性的影響；</p><p>　　4. 對ECT系統(tǒng)的靜態(tài)特性、靈敏度進行分析。</p><p><b>　　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，20

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