基于FPGA的ECT系统研究

发布时间：2020-03-18 20:26

【摘要】：电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography,ECT)是近几十年发展起来的一种新型可视化检测技术,因其具有成本低,响应速度快,携带方便,无辐射,无侵入性,鲁棒性等优点,被广泛应用于火焰燃烧、流化床监测等工业领域中。而随着工业发展得越来越快,也对ECT技术的测量精度和速度提出了越来越高的要求。为了提高ECT系统的数据采集速率,本文对电容层析成像中的微电容测量电路进行了研究,将三角波激励的测量电路引用到系统中,构建了一套ECT成像系统,有效提高了系统的数据采集速率。以气固两相作为实验对象进行验证,得到了较好的测量数据和实验图像。本文主要研究工作和研究结果如下:1、对比分析了不同的电容测量电路,提出一种采用三角波代替传统正弦波作为激励信号的方法,利用C/V转换电路的微分特性,使其输出为方波信号且幅值与被测电容值呈线性关系。由于其不需要相敏解调环节,且测量电路响应时间减少,电容测量速率大幅提高。2、基于Xilinx Spartan-6型FPGA芯片,设计并实现了一套数字化的数据采集系统,该系统由FPGA读取ROM中的三角波数字信号,经外部D/A转换电路生成激励信号,设计可编程放大增益扩宽了测量电路的动态测量范围,外部A/D转换电路将测量数据采样,利用FPGA内部逻辑资源实现对数据的中值滤波处理,然后通过USB2.0的方式与上位机传输通信。3、进行了系统性能测试和成像实验,实验证明,本系统能稳定工作,准确的采集到传感器端的电容数据,与正弦波激励测量方式相比,数据采集速率提升至2681幅/秒。
【图文】：

系统组成

道内部的介电常数分布，就能获得管道内的介质分布情况。在管道外侧均，每两个电极片之间能形成一个电容，随着管道内的介质流动，管道内的随之而改变，从而引起了外部电极片之间的电容值发生改变。通过测量电容电路处理，可放大电极对管道内部介电常数变化的敏感程度，更好的反应布变化情况。所得的电容值通过相关的图像重建算法即可反映出内部介质的 ECT 成像系统由电容传感器阵列、数据采集与控制电路、图像重建单成，图 2-1 为电容成像系统示意图。数据采集系统通过传感器阵列从不同，得到管道内部介质分布的反射投影信息，然后将得到的电容值信息进行放换、解调处理，传送给计算机进行图像重建。传感器分布在绝缘管道的外检测环境不会造成影响。并且由于它的响应速度快，，成本低得到了很多人

传感器模型

中国民航大学硕士学位论文第三章微小电容测量方法研究采集是 ECT 系统极为重要的一环，数据的采集质量影响后期成像的空间分的时间分辨率[55]。微小电容检测电路是数据采集处理的第一步，直接关系着速度和精度[56]。电容传感器的模型如图 3-1 所示。其中xC 为两极板之间的电S2C 为电极外部屏蔽罩之间的分布电容，p1C 、p2C 为信号传输导线引入的
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP274.51

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