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东北大学硕士学位论文摘要 基于虚拟仪器的电容层析成像系统 摘要 两相流参数检测是工业过程参数检测的一个难点。过程层析成像( p t ) 技术能实时提 供封闭管道、容器等过程设备内物场运动状态的二三维可视化信息，为解决两相流参数 检测问题提供了一条新途径。电容层析成像( e c t ) 技术是基于电容敏感机理的p t 技术， 具有非辐射、非侵入、响应速度快、结构简单、成本低等优点，是一种非常有发展潜力 的p t 技术。本文在e c t 系统硬件、数据采集、实时成像等关键技术做了较为全面深入 的研究，并自行开发了一套e c t 实时成像系统。本人主要完成以下方面的工作： ( 1 ) 简要的介绍了两相流检测中的主要参数、两相流检测技术研究的重要意义以及 各种过程层析成像技术的发展，阐述了电容层析成像的原理、构成以及它在实际中的应 用、发展。 ( 2 ) 简要介绍了虚拟仪器以及其在实际中的应用。 ( 3 ) 研制了交流移相电路，通过调整电位器可使交流信号的相位在( 一9 0 。，9 0 。) 之间移动，能很好的补偿检测信号在经过放大器等器件后引起的相移，使模拟乘法器的 输出最大，从而系统具有更高的精度。 ( 4 ) 研制了c v 转换电路板以及系统主板。c v 转换电路板具有较好的稳定性、 精确度和灵敏度；系统主板给整个系统提供电源供应、控制n ( n = 6 ，8 ，1 2 ) 块c v 转换电路板工作以及与计算机进行数据传输。 ( 5 ) 设计了i o 扩展电路，把i o 口从2 4 个扩展到了3 3 个，并研制了对应的开关 控制电路控制9 6 个双向模拟开关，进而控制c v 转换电路板工作状态选择以及电路中 信号放大倍数选择等。 ( 6 ) 在l a b v i e w 环境下，开发了数据采集及成像程序。该程序采用l a b v i e w 特 有的图形语言程序进行编程，程序运行稳定，能精确采集电容数据和实时精确地进行图 像重建。 ( 7 ) 开发了e c t 实时成像装置“e c ts y s t e mb a s e d o n v i i ”。该系统在8 极板构成的成像区域象素为7 9 2 ，成像计算机c p u 主频为1 8 g h z ，内存为2 5 6 m 的条件 下，在线实时成像速率最大可达l o 帧秒；在内径为9 0 m m 的有机玻璃管内，以玻璃棒 i i 东北大学硕士学位论文摘要 为成像对象的条件下，管中央成像空间分辨率可达1 2 4 。利用该实验装置实现了中心 流、层流等多种成像实验研究。 关键词：两相流参数；电容层析成像；电容电压转换电路；灵敏度：图像重建算法 i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y s y s t e m b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t s a b s t r a c t t w o - p h a s ef l o wp a r a m e t e rm e a s u r e m e n ti sd i f f i c u l t yi ni n d u s t r i a lp r o c e s sp a r a m e t e r m e a s u r e m e n tf i e l d p r o c e s st o m o g r a p h y t ) t e c h n i q u ec a l lp r o v i d ei n t e r i o rb e h a v i o r2 3 d i m e n s i o nv i s u a l i z i n gi n f o r m a t i o ni np r o c e s se q u i p m e n ts u c ha sc l o s e dp i p e ，v e s s e l sa n ds o o ni n r e a lt i m e ，s oi ti san o v e la p p r o a c hf o rt w o p h a s ef l o wp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ( e c t li sat e c h n i q u eb a s e do nc a p a c i t a n c es e n s o ne c th a s t h ea d v a n t a g eo fb e i n gn o n - r a d i a t e ，n o n - i n t r u s i v e ，f a s ti nr e s p o n s e ，s i m p l ei ns t r u c t u r ea n d l o wi nc o s ls oi ti sat e c h n i q u ew h i c hh a sg r e a td e v e l o p i n gp o t e n t i a li ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ng o e sd e e pi n t or e s e a r c ho fe c tk e yt e c h n i q u es u c ha se c th a r d w a r e ，d a t a a c q u i s i t i o n ，r e a lt i m ei m a g i n g a n dh a v ed e v e l o p e da ne c t r e a lt i m ei m a g i n gs y s t e m t h e m a i nc o n t r i b u t i o na n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b r i e f l yi n t r o d u c e st h em a i np a r a m e t e r so ft w o p h a s ef l o wm e a s u r e m e n t ，t h e i m p o r t a n c eo ft w o p h a s ef l o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , a n dt h ed e v e l o p m e n to fv a r i o u s p r o c e s st o m o g r a p h yt e c h n i q u e s t h ep r i n c i p l e ，s t r u c t u r eo fe c t m a dt h ea p p l i c a t i o n ， d e v e l o p m e n to f e c t i np r a c t i c ea r ee x p o u n d e d ( 2 ) b r i e f l yi n t r o d u c e sv i r t u a li n s t r u m e n t sa n di t sa p p l i c a t i o ni np r a c t i c e ( 3 ) h a v ed e v e l o p e da na cp h a s e - s h i f tc i r c u i t ，t h ep h a s eo fa cs i g n a lc a r ls h i f ti n ( 一9 0 。，9 0 。) t h r o u g ha d j u s t i n gt h er h e o s t a t ，a n dc a nw e l lc o m p e n s a t et h es h i f t - p h a s ew h i c hi s g e n e r a t e dw h e nt h em e a s u r i n gs i g n a lp a s s e dt h ea m p l i f i e r t h eo u t p u to fa n a l o gm u l t i p l i e r a c h i e v e sm a x i m u m b ya d j u s t i n gt h er h e o s t a t ，a n dt h es y s t e mw i l lh a v eh i g h e rp r e c i s i o n 。 ( 4 ) c vc o n v e r t i n gc i r c u i tb o a r da n ds y s t e mm a i nb o a r da r ed e v e l o p e d c vc o n v e r t i n g c i r c u i tb o a r d sh a v eg o o ds t a b i l i t y , p r e c i s i o n ，a n ds e n s i t i v i t y t h es y s t e mm a i nb o a r dp r o v i d e s p o w e rs u p p l yf o rt h ew h o l es y s t e m ，c o n t r o l st h ew o r k i n g s t a t eo fc vc o n v e r t i n gc i r c u i t b o a r d s a n dt r a n s f e r sd a t a 、i t l lc o m p u t e r ( 5 ) i oe x p a n d i n gc i r c u i ti sd e s i g n e d t h el i n e so f i oa r ee x p a n d e dt o3 3f r o m2 4 ，a n d d e v e l o p e dr e l a t i v es w i t c hc o n t r o lc i r c u i tt oc o n t r o l9 6b i d i r e c t i o n a la n a l o gs w i t c h e s ，s o t o c o n t r o lt h ew o r k i n g - s t a t eo fc vc o n v e g i n gc i r c u i tb o a r d sa n dt h ea m p l i f i c a t i o nm u l t i p l eo f i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i g n a l s ( 6 ) i nt h ee n v i r o n m e n to fl a b v i e w , t h ep r o g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o na n di m a g i n gi s d e v e l o p e d i ti sp r o g r a m m e db ye x c e p f i o n a lf i g u r el a n g u a g eo fl a b v i e w ，a n d r u n ss t a b l y ( 7 ) h a v ed e v e l o p e de c tr e a lt i m ei m a g i n ge q u i p m e n t ”e c ts y s t e mb a s e do n v i _ i ”u n d e rt h e f o l l o w i n gc o n d k i o n ：8 - e l e c 仃o d es e n s o r 7 9 2 一p i x e l i n i m a g i n gz o n e ， 1 8 g h zf o ri m a g i n gc o m p u t e rc p um a i nf f e q u e n c n2 5 6 mr a m ，i m a g er e c o n s t r u c t i o n s p e e di s1 0f l a m e sp e rs e c o n d u n d e rc o n d i t i o no fp o l y s t y r e n ep i p ei n t e r - d i a m e t e rb e i n g 9 0 m mm a do b j e c tb e i n gg l a s sr o d s y s t e mr e s o l u t i o ni s1 2 4 i nt h ep i p ec e n t e rz o n e e x p e r i m e n t si n c l u d i n gc e n t e r - f l o w a n dl a y e rf l o wa r ei m p l e m e n t e do nt h ee q u i p m e n t - k e yw o r d s ：t w o - p h a s ef l o wp a r a m e t e r s ；e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ；c vc o n v e r t i n g c i r c u i t ；s e n s i t i v i t y ；i m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：离德才 签- 7 日期：砂，幻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三百v 匕 1 1 过程层析成像技术 1 1 1 过程层析成像技术发展简介 过程层析成像技术f 2 ，1 3 4 6 2 1 】实际上始于二十世纪八十年代中期，是计算机应用技术与 现代检测技术相结合的产物。其实质就是：基于某种传感机理，用阵列式传感器以非接 触或非侵入方式获取封闭管道、容器、反应器等过程设备内的物场内部各方向上的投影 数据，并运用定性或定量的图像重建算法，重建反映物场在某一二维截面上或某一二三 维空间上的分布信息的图像，然后从图像中提取相关特征信息以实现对物场的参数检测 和状态监控。从8 0 年代中期开始，在英国曼彻斯特大学理工学院( u m i s t ) ，b e c km s 教授领导的研究小组从克服相关流量测量技术的不足出发，首次提出“流动成像( f l o w i m a g i n g ) ”1 的概念，并致力于研制以电学敏感原理为基础的过程层析成像系统，于8 0 年代后期推出了第一台针对油气两相流和气固两相流检测的8 电极电容层析成像系统， 并于1 9 9 0 年进一步改进为1 2 电极电容层析成像系统。此外，从1 9 8 8 年开始了电阻层 析成像技术的研究。同一时期，美国能源部研究中心研制出1 6 电极电容层析成像系统 并用于流化床中的空隙率分布的研究。上述过程层析成像系统的优点是成本低，实时性 好，结构简单，适于工业现场应用( 无辐射危险) ，缺点是分辨率低，精度有限。9 0 年代 初，受欧盟科技委员会支持，为期4 年的“欧洲过程层析成像联合行动”得以开展。“过 程层析成像”概念被首次提出，其间进行了超声，光学，辐射，放射以及核磁共振技术 1 1 4 在过程层析成像中的应用研究，并于1 9 9 2 年至1 9 9 5 年召开了4 届学术会议。受美国 工程基金会支持，1 9 9 5 年和1 9 9 7 年分别在美国和荷兰召开了过程层析成像前沿技术会， 1 9 9 9 年在英国主持召开了“第一届工业过程层析成像技术世界大会”，第二届大会于2 0 0 1 年在德国召开，第三届大会于2 0 0 3 年在加拿大召开。 9 0 年代后期的过程层析成像研究己相当深入，并且不仅仅局限于两相管流流动参数 的在线检测，己扩展到两相流或多相流的反应、分离等过程系统的在线监测，同时，出 现了将基于不同敏感原理的层析成像技术组合，用于复杂多相流过程检测，以及将层析 成像技术与其它检测技术结合，用于两相流中多参数的同时测量。例如，基于y 射线和 电容的双模式传感器的层析成像系统，用于原油z k 天然气混合流体的在线检测研究。 其中，y 射线用于混合流体中的油水两相检测，而电容传感器用于混合流体中的油 东北大学硕士学4 i - ；仑文 第一章绪论 气两相检测。将电磁感应层析成像技术，电阻层析成像技术和电磁流量计结合，用以解 决不同流态下气液两相管流的分相速度、含气率和相分布等多参数的同时检测。 我国于2 0 世纪8 0 年代后期开始过程层析成像技术的研究，国内的一些高校及科研 院所相继开展了分别基于电容，超声，电阻1 2 ”，电磁感应 2 2 - 2 4 1 等原理的过程层析成像 技术研究。迄今，己取得了多项令人鼓舞的研究成果。 1 1 2 电容层析成像技术综述 电容层析成像系统一般由三部分组成：传感器、数据采集控制单元和图像重建计算 机，如图1 1 所示。电容层析成像系统具有简单、易于实现、成本低、响应速度快、非 侵入、安全等优点，已发展成为一门被广泛研究的多相流参数检测技术。 传堪器 图1 1 电容层析成像系统组成示意图 f i gt ，1 t h es c h e m a t i cc h a r to f e c t 采用电容层析成像技术可以测量由具有不同介电特性的介质所组成的两相流体的 特征参数。由于两相流体中各相具有不同的介电常数，当各相组分分布或浓度( 含率) 发 生变化时，将引起混和流体等价介电常数发生变化，从而使测量电极对间的电容值发生 变化。采用阵列式电容传感器，各电极之间相互组合的多个测量值便可反映多相流体的 浓度以及在管截面上的相分布情况，以这些电容测量值作为投影数据，通过一定的图像 重建算法，便可重建出某一时刻流体流经管道横截面上的相分布图像。 对于n 电极系统，阵列式电容传感器各电极两两相互组合可获得m = c n 2 = n ( n 一1 ) 2 个电容测量值，每对电极间的电容测量值可视为一个投影。任意两电极i 和j 间的电容 测量值可表为： c = l j 占y ) s 口( x ，y , c ( x ，_ y ) ) d 。d y ( 1 1 ) 式中，c 。为电极i 和j 之间的电容值，占( z ，y ) 为管道横截面上介电常数分布函数， d 为管道横截面，s 。( 墨y ，c ( x ，一) ) 为电极i 和电极j 之间的灵敏场分布函数。 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 电容层析成像就是根据s 。( x ，y ，e ( x ，y ) ) 及多个投影数据c 。来求解c ( x ，y ) 的一个逆 问题求解过程。其中灵敏场分布函数s i ( x ，y ，s ( x ，y ) ) 一般用实验的方法或用计算机进行 有限元仿真的方法来得到。由于电容层析成像系统仅能获得有限个测量数据，一般情况 下远小于所要求解的未知量的个数，所以通常只能获得介质分布的一个近似估计。由所 求得e ( x ，y ) 的估计值便可得到管截面上多相介质的相分布情况。 电容层析成像系统的图像重建定义为由一定算法处理己知的测量电容值( 投影数据) 来获得管截面上介质分布的过程，而所采用的算法称为图像重建算法 1 6 , 1 9 】。虽然医学成 像技术经多年的发展已形成了一些行之有效的图像重建算法，但对于电容层析成像技术 来讲，由于其测量场的“软场”特性和投影数量过少等特点，致使源于医学上的图像重 建算法不能直接应用，因而必须研究适合自身特点的图像重建算法。目前，电容层析成 像系统所采用的图像重建算法主要有如下几种： ( 1 ) 线性反投影法 ( 2 ) 基于迭代模式的线性反投影法 ( 3 ) 基于模型的重建算法 ( 4 ) 代数重建算法 ( 5 ) 查找表法( l o o k - u pt a b l e s ) ( 6 ) 神经网络法 图像重建算法的研究一直是电容层析成像技术中一个非常活跃的方向。广大科技工 作者力图研究更为精确的图像重建方法来弥补电容层析成像技术在硬件上所无法克服 的缺陷，如“软场”特性等。上面所介绍的图像重建算法中，线性反投影算法简单、速 度快，但精度较低。而m o r 算法、a r t 算法等精度高，但计算时间长。一般的算法对 流型具有很大的依赖性，目前尚没有适合于各种流型的通用算法。将来研究的重点是寻 求一种具有有效滤波方法的快速线性反投影算法。此外应寻求一种快速前向求解器，以 为研究更为精确的、需要较少计算时间的图像重建算法奠定基础。 1 1 3 电容层析成像技术应用举例 电容层析成像技术经过十几年的发展，己在多相流参数检测及过程安全和可靠性检 测，粉( 粒) 料气力输送过程、化工分离过程、生化反应过程、流化床的监测等方面得到 了研究和应用。 早在1 9 8 8 年英国曼彻斯特大学理工学院研制成8 电极电容层析成像系统模型， 3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 电容层析成像就是根据s 。( x ，弘s 力) 及多个投影数据g 来求解( x ，y ) 的一个逆 问题求解过程。其中灵敏场分布函数s 。( x ，儿s ( x ，y ) ) 一般1 | = f j 实验的方法或用计算机进行 有限元仿真的方法来得到。由于电容层析成像系统仅能抉得有限个测量数据，一般情况 下远小于所要求解的未知量的个数，所以通常只能获得介质分布的一个近似估计。由所 求得p ( 薯y ) 的估计值便可得到管截面上多相介质的相分布情况。 电容瑶析成像系统的图像重建定义为由一定算法处理己知的测量电容值( 投影数据) 束获得管截面上介质分布的过程，而所采用的算法称为图像重建算法 1 6 39 】。虽然医学成 像技术经多年的发展已形成了一些行之有效的图像重建算法，但对丁电容层析成像技术 来讲，由于其测量场的“软场”特性和投影数量过少等特点，致使源于医学上的图像重 建算法小能直接应用，因而必须研究适合自身特点的图像重建算法。目前，电容层析成 像系统所采用的图像晕建算法主要有如下几种： ( 1 ) 线性反投影法 ( 2 ) 基于迭代模式的线性反投影法 ( 3 ) 基于模型的重建算法 ( 4 ) 代数重建算法 ( 5 ) 查找表法( l o o k - u pt a b l e s ) ( 6 ) 神经网络法 图像重建算法的研究一直是电容层析成像技术中一个非常活跃的方向。，1 大科技r 作者力图研究更为精确的图像重建方法来弥补电容层析成像技术在硬件上所无法克服 的缺陷，如“软场”特性等。上面所介绍的图像重建算法中，线性反投影算法简单、速 度快，但精度较低。而m o r 算法、a r t 算法等精度高，但计算时间长。一般的算法对 流型具有很大的依赖性，目前尚没有适合丁各种流型的通用算法。将来研究的重点是寻 求一种具有有效滤波方法的快速线性反投影算法。此外应寻求一种快速前向求解器，以 为研究更为精确的、需要较少计算时间的图像重建算法奠定基础。 1 1 3 电容层析成像技术应用举例 电容层析成像技术经过r 几年的发展，己在多相流参数检测及过程安全和可靠性检 测，粉( 粒) 料气力输送过程、化工分离过程、生化反应过程、流化床的监测等方面得到 了研究和应用。 早在1 9 8 8 年英国曼彻斯特大学理工学院研制成8 电极电容层析成像系统2 ”模型， 早在1 9 8 8 年英国曼彻斯特大学理工学院研制成8 电极电容层析成像系统”模型， 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一聿绪论 采用简便反投影算法，用水和沙子分别模拟两相流静态模型，取得初步实验结果，1 9 9 0 年该系统发展成为1 2 电极，并采用高速并行处理器件的电容层析成像系统，在油气混 合流体实验装置上稳定运行。 美国能源部也于1 9 9 0 年研制成一种在线监测流化床内物料密度三维分布的电容层 析成像系统，该传感器阵列有四层，每层由】6 个极板组成。从重建图像中可以观察气 泡的复合现象，并可以提取上升速度、气泡尺寸等参数。 1 9 9 5 年英国过程层析成像有限公司推出了商品化的e c t 系统p l t - 2 0 0 t ”1 。从美国 杜邦公司研究发展部和澳大和亚c s i r o 矿业公司的研究人员们使用p l t - 2 0 0 的情况来 看，该技术对于流化床运行工况的优化是一个有价值的工具。许多国家研究人员的实验 表明：用e c t 来监控颗粒物料的气力输送具有较为明显的优势。 由于尼龙聚合过程是在高温高压下迸行的0 0 0 v ，2 0b a r ) ，为了确定聚合过程的进 行状况以便聚合过程一完成就停止整个过程，以达到节约能源的目的。1 9 9 9 年英国曼彻 斯特理工学院研制了一种用于监控尼龙聚合过程的电容层析成像系统，并得到了成功的 应用。 1 9 9 9 年英国埃克赛特大学受欧洲煤炭钢铁联合会的赞助进行了浓相气力输送的控 制方面的研究。利用电容层析成像传感器作为主要信息来源，并融合温度、压力等信号， 用模糊逻辑控制策略对浓相气力输送进行控制。这种控制方法在气力输送实验室得到了 成功的应用。 为了监测引擎内部的燃烧情况，1 9 9 9 年过程层析成像公司( i n d u s t r i a lp r o c e s s y o m o g r a p h yg r o u p ) 利用1 2 电极电容层析成像传感器开发了用于确定火焰位置和火焰稳 定情况的电容层析成像系统。并且进行了商业化的应用。 2 0 0 3 ，已有成型e c t 产品。英国p r o c e s st o m o g r a p h yl i m i t e d 生产的 p t l 3 0 0 e s p t p g 是双层极板系统，在6 极板传感器系统下，其采集速度可达3 0 0 帧 秒。在8 极板传感器系统下，其采集速度可达2 0 0 帧，秒。在1 2 极板传感器系统下，其 采集速度可达1 0 0 帧秒。 经过国内外专家的努力，电容层析成像技术得到了长足的发展畔j 。但是大多技术还 是处于试验研究阶段，与工业现场应用还有一定的距离。 电容层析成像技术的技术难点在于： ( 1 ) 由于电容传感器采集的是微弱电容信号，因此对传感器的灵敏度和抗干扰性要 求较高。 4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 由于灵敏度分布受被测介质分布的影响，使得重建图像的质量还不尽人意。 ( 3 ) 受管径的限制，不可能在管壁上安置很多极板，能得到的独立电容测量数，即 投影数据有限。 因此，为了使电容层析成像有更进一步的发展，我们还需要做以下方面的努力： ( 1 ) 高灵敏度、高可靠性的微弱电容测量方法和电路的研究。 ( 2 ) 新的更准确、更快的图像重建算法的研究。 只有这样才能克服现有电容层析成像系统存在的误差大，重建图像质量【3 9 1 不高等缺 点，真正应用于工业过程在线测量与控制。 1 2 本文的主要工作及意义 本文以e c t 技术在气固两相流实时监控中的应用为研究背景，在e c t 的软件、硬 件方面都做了比较深入的研究，并成功制作出一套e c t 系统装置，该装置能很好的完 成对气固两相流的监控工作。本人主要完成的工作及意义如下： ( 1 ) 简要的介绍了两相流检测中的主要参数、两相流检测技术研究的重要意义以及 各种过程层析成像技术的发展，阐述了电容层析成像的原理、构成以及它在实际中的应 用、发展。 ( 2 ) 简要介绍了虚拟仪器以及其在实际中的应用。 ( 3 ) 研制了交流移相电路，通过调整电位器可使交流信号的相位在( 一9 0 0 ，9 0 。) 之间移动，能很好的补偿检测信号在经过放大器等器件后引起的相移，使模拟乘法器的 输出最大，从而系统具有更高的精度。 ( 4 ) 研制了c v 转换电路板以及系统主板。c v 转换电路板具有较好的稳定性、 精确度和灵敏度：系统主板给整个系统提供电源供应、控制n ( n = 6 ，8 ，1 2 ) 块c v 转换电路板工作以及与计算机进行数据传输。 ( 5 ) 设计了i o 扩展电路，把i o 口从2 4 个扩展到了3 3 个，并研制了对应的开关 控制电路控制9 6 个双向模拟开关，进而控制c v 转换电路板工作状态选择以及电路中 信号放大倍数选择等。 ( 6 ) 在l a b v i e w 环境下，开发了数据采集及成像程序。该程序采用l a b v i e w 特 有的图形语言程序进行编程，程序运行稳定，能精确采集电容数据和实时精确的进行图 像重建。 ( 7 ) 开发了e c t 实时成像装置“e c ts y s t e mb a s e do nv i i ”。该系统在8 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 极板构成的成像区域象素为7 9 2 ，成像计算机c p u 主频为1 8 g h z ，内存为2 5 6 m 的条件 下，成像速率最大可达l o 帧秒；在内径为9 0 i r m a 的有机玻璃管内，以玻璃棒为成像对 象的条件下，管中央成像空间分辨率可达1 2 4 。利用该实验装置实现了中心流、层流 等多种成像实验研究。 东北大学硕士学位论文第二章虚拟仪器以及l a b v i e w 第二章虚拟仪器以及l a b v i e w 2 1 虚拟仪器简介1 4 2 - 4 3 1 在现代的测试、量度和工业自动化控制上都需要在对象及项目上作出各种类别及大 量的测量，然后将数据分析、统计、造成图表，如要扩大使用范围，就要另外投资。幸 好电脑技术的发展也日新月异，凭其强大的运算及分析能力，配合相关的硬件及软件， 即可组合成自己所需的各种仪器。美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 于八十年代中 期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随 后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件 和( 或) 硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的专用 的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是 整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增 减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的出现，彻底打 破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式。虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自 己的才能、想象力的空间，用户( 而不是厂家) 可以随心所欲地根据自己的需求，设计 自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。 虚拟仪器将传统的仪器来一次革新，实质是充分利用最新的电脑技术来实现和扩展 传统仪器的功能，由用户自己设计、自己定义，满足自己的特殊要求。由于当中还有软 件的关系，用户更可以改变软件程式来适应其他不同的需求，功能更加灵活、强大。另 又很容易与网络、外围设备，以及其他应用连接，对于数据采集、系统控制、远程传送， 都非常方便。又由于软件是关键，可以很快跟上电脑的发展，更新自己的仪器，这样不 单价格低、效能高，还能节省开发及维修的费用。 软件是虚拟仪器系统的关键。所以，提高软件编程效率也就成了一个非常现实的问 题。根据微软及其他电脑应用软件工业家的观点，在当今这个信息时代，提高软件编程 效率的关键是采用面向对象的编程技术，但是，仅有面向对象的编程技术还是不够的， 因为不可能让所有人都去学习复杂的c c + + 语言，同时成为行业专家和编程专家。这时 虚拟仪器的软件开发平台l a b v i e w 就显得十分难得。 一7 东北大学硕士学位论丈第二章虚拟仪器以及l a b v l e w 表2 1 虚拟仪器与传统仪器优缺点比较 t a b l e2 1t h ec o m p a r i s o no f v i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s 虚拟仪器传统仪器 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展。封闭性、仪器间相互配合较差 关键是软件，系统性能升级方便， 关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上门 通过网络下载升级程序既可服务 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高 价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接功能单一。只能连接有限的独立设备 开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 _ 2 年)技术更新周期长( 5 - - 1 0 年) 2 2l a b v i e w 简介 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，简称 n i ) 的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成 环境。l a b v i e w 是根据g 编程语言，为数据采集与控制、数据分析，及数据显示而设 计的一个革命性图形编程开发环境。g 语言是一种适合应用于任何编程任务，具有扩展 函数库的通用编程语言，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。它与传统 高级编程语言最大的差别在于编程方式，一般高级语言采用文本编程，而g 语言采用图 形化编程方式。这个强大的编程程式对工程师及科学家不存在任何的困难及复杂，因为 其图形编程方法与工程师所熟悉的流程图式设计方法及思维方式非常相似。 l a b v i e w 使用“所见即所得”的礼堂化技术建立人机界面，针对测试、测量及过 程控制领域，n i 公司在l a b v l e w 中提供了大量的仪器面板中的控制物件，如表头、旋 钮、图表、温度计等，用户可以通过编辑器将现有的控制物件修改成为适合自己工作领 域的控制物件。 l a b v i e w 在包括航空、航天、通信、汽车、半导体、生物医学等世界范围的众多 领域得到广泛应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学 实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以发现l a b v i e w 应用的成果和开发的产 品。 2 3l a b v i e w 应用于测试与测量 l a b v i e w 己成为测试与测量领域的工业标准，它可以通过g p i b ，v x i ，p l c 、串 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章虚拟仪器以及l a b v i e w 行设备和插卡式数据采集板构成实际的数据采集系统。它提供工业界最大的仪器驱动程 序库，它还支持通过i n t e r n e t ，a c t i v e x ，d d e ，s q l 等交互式通信方式实现数据共享， 它所提供的众多开发工具使得复杂的测试与测量任务变得简单易行。 2 3 1l a b v i e w 应用于过程控制和工业自动化 由于l a b v i e w 强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计，使得它为 过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。当然，对于更复杂的专门的工业自 动化领域，在l a b v i e w 基础上发展起来的b r i d g e v i e w 是更好的选择。 2 3 - 2l a b v i e w 应用于实验室研究与自动化 l a b v i e w 为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、 回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学计算模块，可满足计 算、分析的需要。即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设计等高级或特殊分析场合， l a b v i e w 也提供了专门的附加软件包。 虚拟仪器概念是l a b v i e w 的精髓，也是g 语言区别于其他高级语言的最显著的特 征。正是由于l a b v i e w 的成功，才使得虚拟仪器的概念为学术界和工程界广泛接受； 反过来也正是因为虚拟仪器概念的延伸与扩展，才使l a b v i e w 的应用更加广泛。 9 东北大学硕士学位论文第三章e c t 系统硬件开发 第三章e c t 系统硬件开发 一个e c t 系统的总体结构包括硬件、软件和图像重建算法三部分。其中硬件部分m 1 可分为传感器、传感器极板阵列控制电路、c v 转换电路、信号采集与控制卡等基本组 件，它们是e c t 系统硬件平台的关键组成部分。而c v 转换电路是e c t 系统核心部件 之一，它的性能好坏直接影响e c t 系统的成像质量。下图为本e c t 系统的结构图。 图3 1e c t 系统的结构图 f i g 3 1 t h es t r u c t u r eo f e c ts y s t e m 3 1e c t 系统c v 转换电路设计口， c v 转换电路在工业仪器仪表中有着广泛应用，但电容层析成像c v 转换与通常的 电容值测量系统不同，是一类极其困难的检测问题，它有许多需要特别考虑的因素。首 先，在e c t 系统中，被测电容变化量很小【2 9 】，而杂散电容1 很大，因此c v 转换电路 必须有抗杂散电容的能力。如图3 2 ( a ) 和管内充满聚苯乙烯小珠( | _ 1 8 ) 时电容变 化量如图3 2 ( b ) 。由图上可知，本体电容值很小，从o 0 1 p f 到0 。5 p f ，而电容变化量 更小，从o 0 0 5 p f 到0 0 8 p f 。这就要求c v 转换电路应具有较高的信噪比( s n r ) 。在 一个e c t 系统中，杂散电容却非常大，杂散电容主要来自三个方面： ( 1 ) 检测电极和接地屏蔽罩之间的电容。 ( 2 ) 极板与转换电路之间的电缆连线的电容，典型值为l p f c m 。 ( 3 ) 极板阵列控制电路使用的c m o s 模拟开关产生的耦合电容( c o u p l i n g c a p a c i t a n c e ) 。所有这些杂散电容加在一起一般大于l0 0 p f 。这就要求转换电路应具有较 强的抗杂散电容的能力。另一方面，e c t 系统在应用中要实现稳定的实时可视化监测， 要求转换电路要具有较高的分辨率、稳定性和较小的过渡时间。 综上所述，对于一个e c t 系统用的c v 转换电路，应具有下几个基本功能： ( 1 ) 较强的抗杂散电容干扰； 一1 1 一 东北大学项士学位论文第三章e c t 系统硬件开发 ( 2 ) 较高的信噪比( s n r ) ； ( 3 ) 较低的漂移； ( 4 ) 较宽的工作频带： 目前，e c t 系统主要使用的c v 转换电路为充，放电直流型和交流型激励两种。 挚5 蓁 。 ( 8 ) 本休电容输f i i ( b ) 电容变化量输f l l 图3 2 传感器电容输出 f i g 3 2c a p a c i t a n c eo u t p u to f s e n s o r 3 1 1 充放电直流型c v 转换电路【3 4 1 这是早期e c t 系统所使用的c v 转换电路。电路基本结构如图3 t 3 。未知电容q 被 充电至固定电压k ，然后充分放电，充放电频率为厂。电路工作过程如下： ( 1 ) 在充电周期，模拟开关s l 和s 3 闭合，s 2 和s 4 断开，流过检测器d l 的平均电 流为： 5 k e ， ( 3 1 ) 则输出电压为： k = 一r ，以c z f ( 3 2 ) ( 2 ) 在放电周期，模拟开关s 1 和s 3 断开，s 2 和s 4 闭合，检测器d 2 的输出电压 为： 吒= r y o c f ( 3 3 ) ( 3 ) 两个信号经差动放大器a 比较放大k 倍后，最终输出为： v o = 2 k r y v c c r 厂 ( 3 4 ) 由式( 3 4 ) 可知，在厂，屹，r ，固定条件下，输出电压k 正比于被测电容q 。 由于杂散电容c n 的充放电电流不流经d ，因此c “的存在对电路的测量不产生影 响：而杂散电容e z 的一端接地，另一端和检测器输入端相连，处于虚地状态，e z 两端 1 2 一 审肄碰哥讳 东北大学硕士学位论文 第三章e c t 系统硬件开发 电位差为零，凼此它的存在对测量也不产生影啊，故该电路在原理上具有抗杂散电容干 扰的功能。 然而，模拟开关的存在使检测器d 1 、d 2 引入了额外的注入电荷( i n j e c t e dc h a r g e ) ， 从而影响了测量精度。主要原因如下： 图3 4 中，开关s 4 和s 3 的门沟道电容q a 和c 们分别被相应的同相和反相控制方波 激励，因而相当于同未知电容c z 并联，充、放电电流为流经c q 4 和q ，的电流( 即注入 电荷电流) 以及流经e 的电流的合成。c 水产生一个正电压，c 私产生一个负电压，式 ( 3 4 ) 可记做： k2 ( 一k )