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东北大学硕士学位论文摘要 电动式层析成像系统的研究 摘要 过程层析成像( p t ) 技术是计算机应用技术与现代检测技术相结合的产物。通常采用 非接触或非侵入式传感器对封闭的管道、容器、反应器等内部物场的变化行为进行非破 坏性的可视化监测。它是一种以两相流或多相流为主要研究对象的过程参数分布状况的 在线实时监测技术。 本文是以电动式层析成像技术为研究背景，采用相关测量技术完成管道中粉体速度 及浓度信号的检测。特点是把数字信号处理技术引入其中，对信号进行数字滤波，在频 域内利用快速傅立叶变换实现互相关运算，使测量系统的性能大大提高。本文主要完成 了以下工作： ( 1 ) 为了获取流动的信号，对基于静电感应的传感器进行了深入的研究，应用滤 波、屏蔽、接地等电磁兼容技术来获取高信噪比的微小信号。 ( 2 ) 对采集的信号进行f i r 数字滤波，利用f f t 算法实现互相关运算，完成频域 内信号的处理。 ( 3 ) 单片机系统设计，选用1 0 0 m h z 主频的c 8 0 5 1 f 1 2 0 ，外扩1 2 n s 的6 4 ks r a m ， l c d 驱动，实时显示测量参数。 关键词：电动式层析成像技术；相关测量技术；f i r ：f f t i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt r i b o e l e c t r i ct o m o g r a p h y t e c h n o l o g y a b s t r a c t p r o c e s st o m o g r a p h y 口1 ) t e c h n o l o g yi sar e s u l to ft h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm o d e md e t e c t i n gt e c h n o l o g y u s u a l l yn o n i n t r u s i v ep r o b e sa r e e m p l o y e df o rm e a s u r i n gp a r a m e t e r so fs o m em a t e r i a li nad u c t 、c a p a c i t o r 、t r a n s p o r t i ti sa n o n l i n ec o n t i n u o u sd e t e c t i n gf o r mf o rt w o - p h a s eo rm u l t i p h a s ef l o wp a r a m e t e r s t h i sp a p e r , w i t hr e s e a r c hb a c k g r o u n do ft r i b o e l e c t r i ct o m o g r a p h yt e c h n o l o g y , a d o p t s c r o s sc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yt om e a s u r em a s sv e l o c i t ya n dc o n c e n t r a t i o no f p a r t i c l e si nad u c t i th a st h ef e a t u r e so fu s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ys u c ha su s i n gf i rd i g i t a l f i l t e rt op r o c e s ss i g n a l ，u s i n gf f tt o i m p l e m e n tc r o s sc o r r e l a t i o no p e r a t i o ni nf r e q u e n c y d o m a i n ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fm e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y t h i sp a p e r m a i n l yi n c l u d e d ： ( 1 ) i no r d e rt og e tf l o ws i g n a l ，t h et r i b o e l e c t r i es e n s o rb a s e do ns t a t i ci n d u c t i o nh a sb e e n s t u d i e d f i l t e r i n g , s h i e l d i n g ，g r o u n d i n ga n de l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yt e c h n o l o g yh a s b e e nu s e dt oi m p r o v et h es i g n a l - t o n o i s er a t i o ( 2 ) u s i n gf i rd i g i t a lf i l t e rt op r o c e s ss a m p l e ds i g n a l ，a n du s i n gf f tt e c h n o l o g yt o i m p l e m e n tc r o s sc o r r e l a t i o no p e r a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i n ( 3 ) d e s i g n e dt h ef 8 0 5 1 f 1 2 0m i c r o p r o c e s s o rs y s t e m 谢t ht h e1 0 0 m h zm a x i mo p e r a t i n g f r e q u e n c y t h es y s t e mh a st h ei n t e r f a c eo f6 4 ks r a ma n dl c dd r i v e r ，w h i c hc a nb eu s e dt o d i s p l a ym e a s u r e m e n tp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：t r i b o e l e c t r i ct o m o g r a p h yt e c h n o l o g y ；c r o s sc o r r e l a t i o nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y ； f i r ；f f t i i i 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： 考 签- 7 日期：加，6 乙 1 歹 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 第一章序论 第一章序论 1 1 过程层析成像技术 过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y 简称p t ) 技术是计算机应用技术与现代检测技术 相结合的产物。二十世纪8 0 年代中后期，一些专家和学者将医学c t 技术引入工业生产 过程中，采用非接触或非侵入式传感器对封闭的过程管道、容器、反应器等内部物场的 变化行为进行非破坏性的可视化监测，从而形成了过程层析成像技术，并得到了迅速发 展。它是一种以两相流或多相流为主要研究对象的过程参数分布状况的在线实时监测技 术【”。 该技术利用围绕被测管道或反映设备安装的传感器阵列，获取被测物场在不同的观 测角度下的投影数据，利用相应的图像重建算法，经过计算机处理后，给出过程截面状 况的二维可视化信息。经过进一步处理，还可提取若干特征参数。过程层析成像技术的 出现，大大提高了人们对生产过程信息的获取和分析能力，为在线检测和优化设计提供 了一种全新的手段。目前，该技术己进入到工业应用研究阶段，己成为国际测控领域的 研究热点。p t 技术和常规的过程参数检测方法相比具有如下优, 点1 2 1 ： ( 1 ) 传感器阵列采用非接触或非侵入( 有接触但不破坏或干扰流体的流动) 方式； ( 2 ) 可实现多点、截面分布式测量； ( 3 ) 能获得管道或设备内部两相多相介质的二维仨维分布信息： ( 4 ) 在线可视化监控； ( 5 ) 具有结构简单、成本低、响应速度快、无辐射等优点。 正是由于p t 技术的这些优点，使得它在生产过程检测、环境监测等诸多领域内发 挥了巨大潜力。 p t 技术经过几十年的发展，目前已有十几种基于不同敏感机理的p t 技术i h q 世1 2 。 按不同的敏感原理划分主要有：超声、电动感应、光学、电容、电阻、电磁、核p t 等。 超声p t 技术成本较低、非辐射、无安全防护问题，重建图像质量又高于一般的电 学p t ，因此该技术具有一定的工业应用潜力，是p t 技术研究发展的主流之一。但该技 术是基于超声波的扫描测量，系统响应速度较慢，不适合较快流速的两相流参数在线测 量。 电学p t 具有成本低、实时性好、系统结构简单、非辐射、安全可靠等优点。电学 p t 又可分为电容层析成像( e c t ) 、电磁层析成像( e m t ) 、电阻层析成像( e r t ) 等。 一l 一 东北大学硕士学位论文第一章序论 尤其e c t 技术是近年来电学p t 的一个研究热点。 核p t 的突出优点是精度高、适用范围广。在p t 技术早期阶段，核p t 占有一定的 优势。随着现代工业高效率的发展和人员对自身安全保护意识的增强，核p t 越来越显 示出其不足之处，如结构复杂、易损坏、成像速度缓慢、需要庞大的防护装置等，因而 很难成为p t 发展的主流。 本文所研究的电动式p t 技术是一种基于电动传感机理的过程层析成像技术，是层 析成像技术发展的一个新方向。电动式p t 技术具有速度快、成本低、分辨率高等优点。 1 2 电动式层析成像技术原理及系统构成 电动式层析成像技术是利用安装在需要成像的一个或多个截面上的一组电动式传 感器，通过设计电路提取传感器输出信号并经过算法分析得到截面过程参数的分布状 况。 电动式层析成像系统由三个基本部分组成： ( 1 ) 传感器阵列，它包括按一定要求设计的传感器空间阵列，其作用是以非接触 或非插入方式获取被测物场在不同观测角度下的投影数据，其性能在很大程度上决定了 过程层析成像系统的品质。 ( 2 ) 信号处理单元和数据采集系统，该单元对由传感器子系统获取的投影数据进 行放大、滤波和变换。要求温漂小、低噪声、稳定性好。该单元直接决定重建图像的质 量。 ( 3 ) 图像重建计算单元，该单元依据反映物场特性参数的投影数据，采用相应的 图像重建算法，完成由投影数据到图像这一逆问题的求解，并且显示出来。 传感器阵列通常是由均匀安装在绝缘管道外壁的多个电动传感器构成。图1 ，1 为一 个8 极板的电动层析成像系统示意图。信号处理单元负责对这些电动传感器输出信号进 行滤波放大，并通过成像计算机接口采集信号，获得在不同观测角度下的投影数据，最 后由成像计算机采用相应的图像重建算法，反映了管道截面的物质静态分布或运动分布 情况。成像输出反映的是一个截面上划分的各个像素的状态，划分的像素越细微，成像 的分辨率也就越高。 2 东北大学硕士学位论文 第一章序论 图1 18 极板电动式层析成像系统示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e i g h t - e l e c t r o d et r i b o e l e c t r i ct o m o g r a p h ys y s t e m 图1 i 中，设在管道中有粉体流过，实时采集静电传感器输出信号，经信号处理， 利用相应的图像重建算法，就可以得到粉体浓度状态的二维可视化信息。如果在相隔一 定距离的另一个截面上也安装同样的传感器阵列，同时采集上下游信号，对各个划分像 素相应的上下游信号作相关分析，就可以得到一个截面的粉体运动速度的二维图像信 息。 1 3 本文的主要工作和意义 近年来电动式层析成像技术得到较大的发展，并正在走向工业应用。但由于电动 p t 技术是一门集多学科知识于一体的高新技术，不论是理论方面还是在应用方面尚存 在不少问题值得进一步深入探索和研究。 本文是以电动式层析成像技术为研究背景，完成管道中粉体速度及浓度信号的检测 系统设计，包括传感器技术、电子技术、信号处理技术、计算机接口技术等。对成像所 需要的两个基本信号( 质量浓度和质量流速) 作了基础研究工作。对信号的滤波放大技 术、信号采集以及相关分析做了较为深入的研究。主要完成的工作及意义： ( 1 ) 对电动式粉体质量流量系统的基本原理、系统构成、基本特点和应用范围进 行了较为详尽的分析，阐述了电动式层析成像技术独特的优点和应用前景。 ( 2 ) 对影响电动传感器输出信号的因素作了分析，针对传感器原理上的特点，提 出了有效的信号提取( 提取信号交流成分) 解决方案。 ( 3 ) 由于传感器输出信号极其微弱、阻抗大，易受外界干扰。针对这一难点，前 置级采用高输入阻抗、超低偏置电流放大器。并对5 0 h z 陷波器、高通滤波器、低通滤 波器和可编程增益放大器等电路设计作了详尽介绍。 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章序论 ( 4 ) 信号的采集，在频域中利用f f t 算法实现互相关运算，提高了算法的执行速 度和系统的响应时间。 ( 5 ) 建立了基于变频调速的实验系统，进行了大量的实验，对频域中互相关算法 进行了验证。 4 东北大学硕士学位论文 第二章系统原理与设计方案 第二章系统原理与设计方案 相关流量测量技术是目前在流量检测技术领域中一种较为新颖的技术，主要是基于 相关分析理论来实现流体流量的在线测量，其相应的测量系统一般称为相关流量计。同 时由于相关流量计是通过两个流动噪声的互相关函数计算并确定其峰值所对应的渡越 时间进而实现流量测量的，因此相关流量计也常称为互相关流量计。 目前相关法流量测量在理论上已较为成熟，其应用范围也在不断扩展，相关流量计 在许多应用场合已有工业实用化的定型仪表，为实现常规流量仪表难以检测的流体( 常 统称为困难流体) 7 - 9 1 流量的在线测量提供了一条有效途径。并在许多不同工业应 用场合得到了实际应用，例如高炉喷吹煤粉流量和纸浆流量的在线检测等。相关流量计 的特点以及它相对于其它常规流量计的优越之处在于： ( 1 ) 其传感器一般对流体的流动无影响，属于非接触或非介入式测量。因此相关 流量计不会破坏被测流体的流场，也不会造成任何额外的压力损失。 ( 2 ) 适用范围广。相关流量计既可测量洁净的单相流体，也可测量脏污流体、浆 液、稠油以及工业中广泛存在的两相流或多相流体等常规流量计难以测量的“困难” 8 】 流体。尤其是能够测量“困难”流体这一特点使得相关流量计相对于其它常规流量计具 有很大的优势和吸引力。因为“困难”流体的在线测量一直是工业生产过程迫切需要解 决而又长期未能解决的难题，同时它也是国内外研究人员积极研究和开发相关流量计的 主要动力之一。 相关流量计的上述特点和优点使得它具有广阔的工业应用前景。自6 0 年代以来， 它直是流量检测技术研究领域研究发展的一个重要方面。 2 1 相关流量计的基本原理 相关流量计的核心是流速测量，根据常用的流量测量仪表的分类方法可归结为一种 速度式流量计，其工作原理如图2 1 所示。 5 东北大学硕士学位论文第二章系统原理与设计方案 匹二二2 = 船 箍动方向 v t 删丁哟 | i 脚c r ，：建；囊叠珍。一r 陟 图2 1 相关流量计工作原理图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f c r o s sc o r r e l a t i o nf l o w m e t e r j ( !f 。 | 。飞| 。 r 、 j | p r q u v 。” ， y t ，) ， 、一九j | ，介 熙( 力 i ， r 1 ， n v 一 f 图2 2 互相关函数p 。x y ( z ) 的图形 f i g 2 2g r a p ho f c r o s sc o r r e l a t i o n 在被测流体管道相距l 处安装两个相同特性的传感器( 上游传感器和下游传感器) ， 两传感器分别测出被测流体流过相应测量区域时所产生的随机流动噪声信号x ( t ) 和 y ( t ) 。 如果两传感器间距离足够小，、流体在上下游传感器之间流动时流动特性的变化较 一6 一 东北大学硕士学位论文 第二章系统原理与设计方案 小，则随机信号x ( t ) 和y ( t ) 将基本相同，只是两信号间有一时间上的滞后。将信号x ( 0 和y ( t ) 作互相关运算，其互相关函数r x y 为： 脚( r ) = 熙亍1 一r 2 儿一r 冲 ( 2 ) 互相关函数r _ ) ( y 图形( 如图2 2 ) 的峰值( 最大值) 位置所对应的时间r 0 就是两 信号间滞后时间，一般称为渡越时间( t r a n s i tt u n e ) 。 因此，对两个传感器的输出信号x ( t ) 和y ( o 作互相关运算( 实质上，就在不同的延时 值下比较这两个信号波形的相似程度) ，得到互相关函数r x “的图形。该图形峰值位 置所对应的时间位移f 。就是随机信号x ( t ) 在系统中的传递时间。因此，信号x ( t ) 在该系 统中的传播速度圪的计算式为： 。旷：旦( 2 2 ) f o 所计算出的相关速度眨与被测流体的截面平均流速： = 署 ( 2 3 ) 相同，即： 毋昙 ( 2 4 ) 实际上流体的流动，相关速度和实际流体截面平均速度有所差异，因此一般在式 ( 2 4 ) 中均引入速度校正因子k 。相关速度与实际平均速度之间关系为： = 芷k = 世； ( 2 5 ) 则被测流体的体积流量q 为： q ：世圪：k 三4 ( 2 6 ) 其中，a 为管道截面积。 速度校正因子的影响因素很多，且很难通过理论计算获得，一般都是通过实验标定 的手段来确定，速度校正因子k 也常称为相关流量计的仪表系数或流量系数。 一7 东北大学硕士学位论文第二章系统原理与设计方案 2 2 粉体流速测量两种方法( 电容式和电动式) 的比较 馋黪器潮丽 暂 廖 i 图2 3 电容式传感器1 f i g 2 3c a p a c i t a n c em o d es e n s o r 当前测量气固两相流粉体流速的传感器件有“电容式”的，如图2 3 所示，粉体微 粒在管道中流动时，其浓度也就产生波动，从而使管道中物质的介电常数占产生波动【6 】。 使用电容式传感器，其电容值大小随介电常数占变化，信号经c v 转化传送到数据采集 装置，测量结果就反映了这种波动。但是，由于这种电容式流量计随着粉体浓度的降低， 测量的难度会不断增大，这就使其运用及推广受到了限制。然而电动式传感器从原理上 就不存在这一问题，因此，电动式的质量流量计也就应运而生，并有很好的应用前景。 电动式质量流量计是利用静电感应的原理工作的，如图2 4 所示。当气固两相流在 管道中流动时，固体颗粒与其它物质( 气体、管壁) 摩擦而产生静电，颗粒之间的摩擦 一般不会产生静电，因为其束缚电荷的能力相同。这里的电动传感器利用固定在管道外 壁的金属环构成，粉体在管道中运动使得金属环产生静电感应。金属环的电势等于各个 粉体所带电荷在金属环上产生的电势的叠加。由于粉体流动，导致了电场波动，也就产 生了交变信号。这种传感器对粉体浓度测量方面有很大的适用范围。 8 东北大学硕士学位论文 g = - 章系统原理与设计方案 绝缘管道 il 垒 。 x _i q _ - i 输出侣 l 入 一 g j! o 1卜 金属 一- ! 、- ii 图2 4 电动式传感器 f i g 2 4t r i b o e l e c t r i em o d e s e n s o r 2 3 电动传感器测量原理 众所周知，通过摩擦和接触产生静电。静电研究上将通过摩擦产生的电荷感应称作 电动( t r i b o - - e l e c t r i c i t y ) 【4 】。粉体物质在管道中运动( 如图2 5 所示) 时，产生的静电 大小取决于以下几个因素： ( 1 ) 粉体颗粒之间的碰撞； ( 2 ) 粉体与管道壁之间的撞击； ( 3 ) 粉体与气流之间的摩擦； ( 4 ) 相靠近的粉体微粒之间的电荷感应。 9 东北大学硕士学位论文第二章系统原理与设计方案 传感器 图2 5 管道中粉体运动示意图 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep a r t i c l e sf l o wi nad u c t 总体说来，电动产生有两种方式，一种是通过接触电荷传导引起的，另一种是电荷 感应引起的。而感应效应是电动产生的主要因素【4 】。 粉体带电量依赖于很多因素口- 5 】，包括粉体的物理特性和化学特性( 粉体大小、形 状、速率、体积电阻系数、绝缘系数、化学成分等) 以及管道的周围环境( 湿度、温度、 管道材料类型等) 。尽管粉体带电量通常是不可预测的，但可以通过传感器信号输出来 反映它的状态。通过管道壁上安装的电极产生静电感应，并和适当的电路相连，信号经 放大滤波等处理，测量结果反映了粉体运动状态。其中，电极作为静电测量的传感器， 根据具体的安装条件，电极可设计成针形，环形，半环形等；从另一个角度划分，有插 入式和非插入式的，例如：针形就是插入式的，环形属非插入式的。 粉体运动变化反映在传感器输出信号的交流成分。交流成分与粉体浓度成正比，这 个关系非常稳定，且与空气流量、时间无关。如式2 7 所示4 l ： c = 墨+ b m ( 2 7 ) 其中，f 。，：测量得到的交流电流 e ：传感器的几何常数 k m ：材料依赖常数 i i l ：粉体的质量浓度 对此信号经过一系列的处理，比如放大、滤波等，最后经均方根运算得到一个直流 电压信号，该信号体现传感器信号交流成分的波动程度，也就是反映管道内流动粉体的 质量浓度。 一】0 一 东北大学硕士学位论文 第二章系统原理与设计方案 而对于流速参数的测量则需要运用相关分析的方法。在管道的上、下游安装两个同 样参数的传感器，进而提取出两个信号的交流成分，然后分别进行滤波、放大，最后送 入计算机进行互相关函数计算，绘制出相关函数曲线，得到相关曲线峰值，该峰值对应 了粉体在上下游传感器之间的运动时间。设上下游之间运动的延时时间为f 。，又已知两 路传感器之间的距离l ，就可以计算得到粉体平均流速。 矿；_ l ( 2 8 ) f 其中，三为上、下游传感器的距离。 矿为粉体平均流速。 f 为相关分析得出的两路信号的时延。 在设计中主要目的是：提高测量电路的灵敏度和稳定性，期望得到稳定而又可靠的 微弱信号。 东北大学硕士学位论文第三章传感器及电路设计 第三章传感器及电路设计 根据前一章系统设计分析，下面给出整体的系统设计框图。 图3 1 系统整体设计框图 f i g 3 1b l o c k - d i a g r a mo f t h ew h o l es y s t e md e s i g n 在绝缘管道外壁的上下游分别固定两个金属环，作为静电传感器。当粉体在管道中 通过时，传感器上有感应电荷产生，通过放大滤波电路，对信号进行相关分析计算( 后 面一章详细介绍) ，得到粉体流速。而放大滤波后的信号经均方根电路可得到粉体浓度 信号。结合粉体浓度和流速，可计算得出粉体在一个时间段内的质量流量。 高输 弼 5 d鬣离增益 调零 入雕 f 号滁 盥h z通通蝌缒 谰满 抗缀 泡陷 滤遗的敝 4 最鼹 冲放 4 鼹 渡渡涟 麦嚣 电路 大器 器嚣 耩 图3 2 滤波放大电路构成框图 f i g 3 2b l o c k - d i a g r a mo f f i l t e ra n dm a g n i f y c i r c u i t 滤波放大电路是硬件电路设计的一个要点。采用这种静电传感器方式测粉体质量流 量，信号源内阻极大，信号极其微弱，且容易受振动、工频干扰等影响。要采集这种微 弱信号有一定难度，有很多需要注意之处。放大滤波电路主要包括：前级的高输入阻抗 缓冲放大器、高通滤波器、低通滤波器、5 0 h z 陷波滤波器、增益可调放大电路、射极 一1 3 东北大学硕士学位论文第三章传感器及电路设计 跟随电路等。具体框图见图3 2 。 以下就针对传感器的设计和滤波放大电路中各个环节的具体设计分别作详细介绍。 3 1 传感器设计 图3 3 传感器示意图 f i g 3 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es e n s o r 如图3 3 所示，管道外壁在距离l 的上下游两处分别固定宽度为b 的金属环，这种 非插入式的传感器安装方便，加工简单。设计的重点是如何确定l 和b 两个参数的值。 3 1 1 金属极板的宽度 相关分析计算中，信号延时t 的精度和信号带宽有直接关系，而信号带宽取决于极 板的宽度b 。它们之间的关系可以表示如下7 j f 8 】； 喇姐蟒压( 赤一t c s ， b ：兰 b 其中 f 一两路信号的时延 b 一信号带宽 f 一相关计算的积分时间 店。，：相关函数的峰值 矿一粉体流动速度 6 一有效的极板宽度 为了提高时延时r ( 通过相关分析得到) 的计算精度， 一】4 一 ( 3 2 ) 希望有较宽的信号带宽，这 东北大学硕士学位论文第三章传感器及电路设计 就需要有窄的测量极板。不过，当极板宽度减小到一定程度时，有效的极板宽度就很难 再被窄化( 例如受感应场等影响) 7 1 。设计中极板宽度为5 m m 。 3 1 2 极板间距离 上游和下游极板之间距离的选取具有两面性。一方面，如果极板距离过大，上下游 信号的相关性不好，相关系数就太小，很难准确地判断相关函数的峰值。另一方面，如 果极板距离过小，两路信号之间的时延就太短，这个时延的判定就很难有精确的结果。 由于v = l r ( l 为上下游传感器的间距，f 为延时时间) ，所以有 坐：冬 ( 3 3 ) vf v 表示测量速度v 的误差 a t 表示延时f 计算结果的误差 r 较小时，相对误差增大。为减小误差，就应该增大f ，而流速是一定的，只能通 过增大l 的长度。但是，l 长度也不能过大，因为l 太长，两路信号的相关性减弱，相 关函数的峰值就不明显，设计中极板之间的距离为8 0 m m 。 3 2 前级输入放大器设计 3 2 1 前级高输入阻抗缓冲放大器 由于信号源的内阻极大，信号极其微弱，前置级放大电路采用了高精度、高输入阻 抗、低偏置电流的放大器o p a l 2 8 。电路连接如图3 4 所示。 1 5 东北大学硕士学位论文第三章传感器及电路设计 图3 4 前置级放大电路图 f i g 3 4c i r c u i t - d i a g r a mo f f i r s ts t a g ei n p u ta m p l i f i e r 由于系统需要高精度，因此有必要对前置输入级进行调零，具体的调零电路如图3 4 所示。调零电位器可在i o k q 1 m q 之间选用，而本系统设计选用了1 0 0 k q 的电位器。 调零后的电路对于漂移也是有所改善的，理论上大约在每调节1 0 0 m v 的失调电压，其 漂移将减小约o 3 , u v 。c 【9 】。 对于输入级电路，由于前置级是高输入阻抗的。而且系统的信号源也是高阻抗的， 因而需要采取屏蔽、接地等措旌以尽可能减小传输线上的干扰。 图3 5 为保护输入端的印制板屏蔽环设置和布线方法，屏蔽隔离环将完全环绕运放 的输入端和高阻抗的输入引线端，并直接接到低阻抗的输入端，再经过管脚与器件的管 壳及衬底短接在一起，使放大器自身完全被屏蔽保护电位所包围，以尽可能减小漏电流 和噪声干扰。同时，屏蔽保护环应布设在印制电路板的两个面上。 前置级输入端上的连接电缆因摩擦而产生的静电，也是一个麻烦的噪声源。为解决 这个噪声源，采用尽可能短而硬的导线直接将信号源焊在放大器的输入端，以消除颤噪 声。 lb l 图3 5 带输入端保护的电路连接 f i g 3 5c o n n e c t i o no fi n p u tg u a r d 前置级接成跟随器形式，形成同相输入方式。同相运放器的共同特点是放大器同( 反) 相端加有共模电压u c ，一旦这个共模电压超过放大器允许的共模电压输入范围，如反 一1 6 一 l 菩= 暑 东北大学硕士学位论文第三章传感器及电路设计 相端信号过大，则会导致输入级晶体管饱和，反相端信号直接送到运算放大器的第二级， 使反相端输入性质改变，成了同相输入，负反馈变成了正反馈，输出信号通过反馈回路 使输入级晶体管进一步饱和，此时，即使输入信号撤除，该状态也不会立即恢复正常， 该现象叫阻塞【10 1 。 当发生阻塞现象时，若反馈回路电阻又不大( 这里电压跟随器直接短接) ，反馈回路 电流就可能将输入级晶体管烧毁，甚至危害第二级晶体管。为避免发生堵塞现象，可以 选用共模输入电压范围大的运放；在选定运放的条件下，可在放大器的输入端加箝位电 路。如图3 6 所示的就是一些针对运放不同接法的箝位电路。在这些箍位电路中的二极 管和稳压管的漏电流都应十分小，并应避免光照。 其中，图( a ) 、( b ) 、( c ) 适用于低频工作条件。图( b ) 稳压管电容更大一些，所 以工作频率应更低一些。而图( d ) 适用于大信号脉冲工作环境。本文设计电路采用的 是图3 6 ( a ) 方式箝位。 在小信号的反相运算放大器中，特别在积分运算放大器这一类具有电容元件的电路 中。也会发生阻塞现象。 ( c ) 图3 6 箝位电路图 f i g 3 ，6c i r c u i t d i a g r a mo f i n p u tv o l t a g es u r p r e s s e d 1 7 东北大学项士学位论文第三章传感器及电路设计 3 2 2 设计中的阻塞现象消除 在设计中采用了图3 6 ( a ) 的筘位电路。具体电路图如图3 7 所示。由于前置级的 共模输入电压范围最大为1 0 v ，因此，在为消除阻塞而进输入电压箝位时，应该把电 压严格控制在1 0 v 以下，否则就会使前置级饱和而阻塞，不能正常工作，影响检测电 路。 为消除阻塞，电路中利用电位器来调节前置级的输入电压范围，把输入电压钳制在 共模输入电压范围以内，从而消除阻塞现象。在该箝位电路中，由于前置级的输入信号 非常的微弱，还有极低的偏置电流，相对来说，印制电路板和普通的二极管两者的漏电 流都是相当可观的，因此要选用的箝位二极管是相当有讲究的。由于一般的二极管不能 满足设计的要求，在本设计中，利用j f e t 场效应管来代替二极管( 如图3 8 所示) ，尽 量减小漏电流。 + 1s 图3 7 限制输入消除阻塞 f i g 3 7i n p u t - l i m i t e dl e s tc i r c u i tb l o c ko f f 1 卜一 图3 8 三极管与二极管的等效 f i 9 3 8e q u i v a l e n tc i r c u i tb e t w e e nj f e t a n dd i o d e 一1 8 东北大学硕士学位论文第三章传感器及电路设计 设计中选用了2 n 4 1 1 7 a ，这种场效应管的漏电流非常的小。作个比较，一般的二极 管，例如i n 4 1 4 8 的漏电流是2 5 h a ，而2 n 4 1 1 7 a 则只有1 n a 【儿 。 对于电位器的选择，应该考虑到输入级的低噪声和高输入阻抗，因此电位器不能选 太大，但是也不能太小。在设计中选用了5 0 k 的电位器。筘位电路中的两个1 5 0 q 的 电阻，是为了防止在调节电位器的过程中，使电源和地之间短路，损坏电源。 3 3 5 0 h z 陷波滤波器 陷波滤波器也称带阻滤波器，是用来专门让某一频段以外的所有信号通过。由于传 感器输出信号极其微弱，耦合进入系统的5 0 h z 工频干扰相对于信号来说，其幅值已相 当大，因此设计中对5 0 h z 干扰问题不可忽略，必须要进行滤波。由于信号的频带与5 0 h z 交叠，且交叠的部分频谱密度也较大。为保证最大限度提取有效信号，陷波器应设计成 高q 值( 窄带宽、高衰减) 的陷波( 带阻) 滤波器。设计中使用了有源陷波电路，它是 一种特殊的有源滤波器，只在某一频率上有陷波点。 3 3 1 双t 型电路构成的无源陷波器 黔捌 d b 0 - 3 ( a ) 电路图( b ) 频率特性 ( b ) c i r c u i td i a g r a m ( b ) f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c 图3 9 双t 型无源陷波器 f i g 3 9d o u b l e t m o d er cn o t c hf i l t e r 双t 型电路如图3 9 ( a ) 所示，它是由两个t 形网络并联组成的 3 9 ( b ) 。其在某一频率，o 处，输出电压为零。 现定义品质因数为 d ：1 0 _ ：且 b w n l h l 一1 9 一 其频率特性见图 ( 3 4 ) 东北大学硕士学位论文 g s _ 章传感器及电路设计 式3 4 中，q ：表示了曲线的选择性，q 值越大，带阻滤波器的通带宽度越窄，选 择性就越好。 ，o ：输出u o = 0 时对应的频率，即中心频率。 b w o 川3 d b 带宽，即输出电压与输入电压幅度之比为o 7 0 7 时所对应的频带宽度。 ，h ：上限截止频率。 ，l ：下限截止频率。 可知，这种无源陷波器最大的q 只有1 4 ，它虽然能抑制基波，但也把中心频率附 近的较宽范围的频带不同程度的抑制了。这也就影响了整个系统的准确性。于是对该电 路加以改进，加几个运算放大器，就成了有源的双t 型陷波器。 3 3 2 双t 型电路构成的有源陷波器 图3 1 0 有源双t 型陷波器 f i g 3 1 0d o u b l e t m o d ep o w e rs u p p l yn o t c hf i l t e r 4 采用如图3 1 0 所示的双t 型电路构成的有源陷波器，可以使q 值大大提高。因此 本设计采用该陷波器。 ( 1 ) 电路工作原理 从t 型电路由4 个电阻、4 个电容组成，基本上是双对称的。单个无源滤波器其衰 减特性q = o 2 5 ，具有很好的宽频特性。 参数确定：r 3 = r 4 = r 1 l = r ，：，c 3 = c 4 = c 1 。= c ：o 。在衰减极点处谐振，谐振频 2 0 东北大学硕士学位论文第三章传感器及电路设计 率厶= z 夏1 忑，如果偏离以上条件，就不能获得最大衰减量。 该陷波器的传递函数为 1 5 1 矿( s ) = 面而( r c 面s ) 2 + 1 ( 3 5 ) 其中如卜志 电路中的两个运放所起的作用都是缓冲作用，图中的双t 形电桥的纵臂不接地，而 是接到放大器u 2 b 的输出端，放大器u 2 a 的部分输出信号通过u 2 b 反馈到电桥的纵臂， 正是这种这个正反馈的作用，将使频带变窄，q 值提高。 u 2 a ，u 2 b 都是电压跟随器组态，反馈量有p o t 4 的分压值r a ，r 。确定。 p 反馈系数f 2 瓦 i 由f 值可求的有源陷波器的q 值为 q 3 杀而( o f 1 ) ( 3 6 ) 当f = 0 时，即无反馈时，q = o 2 5 ；f = 0 9 时，q = 2 5 ：f = 0 9 9 时，q = 2 5 。可见f 值 越接近于1 ，q 值也越大。 在具体使用时，q 值不能取的过高，否则，陷波器的特性过于尖锐，陷波器中心频 率稍有偏离，则原来要陷掉的频率信号陷波的效果就会很差。一般取q 值在几十以内。 由于u 2 a 、u 2 b 以及陷波器的前级的运放o p a l 2 8 用的都是跟随器的形式，都起到 了很好的隔离作用，且由于跟随器这种形式具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，因此 运放的介入以及该电路的前后级电路并不对双t 型电路的谐振频率。 ( 2 ) 参数的设计与元件的选择 在参数的选择上，设p o t 4 = r 。+ r 。，则 r = f r r r 8 = ( 1 一f ) r r 且，= r 。= 丽1 在本设计中，取c 3 = c 。= o 4 7 胪，根据兀可求的r ，、r 。 东北大学硕士学位论文第三章传感器及电路设计 即： 由啦彘 反馈系数 f = 1 一面1 又由于c 3 = c 4 = 0 4 7 9 f ，则 r 3 = r 4 2 隶。6 盘k 改变可变电阻p o t 4 ，可以设定q 值的可变范围。确定q 值之后，如果不再需要调 整，可去掉电位计，采用固定的电阻来代替。 电路中的运算放大器，应选用适应陷波频率的产品，而对于本设计，由于陷波器抑 制的是5 0 h z 的工频信号，因而在运算放大器的选择上，可使用通用的运算放大器t l 0 8 4 。 同时，为了获得良好的陷波效果，电路中电阻值的精度在1 以内，电容选用可 调电容，同时应保证电阻、电容的温度系数的相对误差在5 以内。而对于电容选择 上，选用聚酯薄膜电容，最好选用误差在1 以内的产品【1 3 】 3 4p g a 放大电路 由于粉体平均流速、浓度以及带电量等因素变化范围比较大，因此信号的强弱的变 化也比较大，为了适应不同的测量环境、对象，放大电路的放大倍数应该设计为可调的。 在本设计中设计使用了p g a ( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ) 放大电路，即增益可调的放 大电路，以此来调节信号测量的范围。 可编程增益放大器p g a 2 0 2 2 0 3 输入级由f e t 组成，所以主要用于高阻抗传感器信 号放大以及需要快速建立时间的数据采集系统。另外它的共模抑制比高，偏置电流低， 非线性误差小，在数据采集系统、自动量程转换电路得到广泛应用。具体的电路设计如 图3 1 1 所示。 东北大学硕士学位论文 第三章传感器及电路设计 圈3 1 1p g a 放大电路 f i g 3 11p g aa m p l i f yc i r c u i t 对于图中的两个接电源旁路电容设计时，用1 u f 的钽电容，并尽可能靠近管脚。图 中r 1 0 、c 1 7 的作用是消除由于p g a 2 0 2 放大所带来的直流信号，属于高通滤波器。 对于放大电路的增益可调性，可通过p g a 2 0 2 2 0 3 的a i 、a 0 ( 芯片1 、2 管脚) 选 择增益，它们的增益可以通过t t l 或c m o s 电平控制，增益大小是由它们的电平逻辑 来决定的。具体的放大倍数的设置如表3 1 所示。 一2 3 东北大学硕士学位论文第三章传感嚣及电路设计 表3 1p g a 放大电路增益调节 t a b l e3 1g a i na a j u s t m e n to f p g a 控制端 增益 a 3a 2a 1a o 00oo1 o0o12 0o1o4 0o118 0loo1 0 ol012 0 o1l 0 4 0 0ll18 0 loo ，o 1 0 0 lool2 0 0 lo1o4 0 0 l o ll 8 0 0 1 1 o o 1 0 0 0 11o l 2 0 0 0 i11o4 0 0 0 1 1 1 1 8 0 0 0 p g a 2 0 2 2 0 3 的、脚在需要不同的截止频率时，需要外加一个电容c 。( 与内 部电容并联) ，在输入级和输出级分别组成一个低通滤波器，如图3 ，1 1 所示。截止频率 为1 m h z 时可不加；在1 0 0 k h z 时，c e h 为4 7 p f ：在1 0 k h z 时，c w 为5 2 5 p f ：在本设 计中，由于截止频率为2 k h z ，因此所加的电容c 。为2 7 0 0 p f 。 对于p g a 放大电路，由于它是整个系统中唯一的数字部分。在设计印制电路板时应 该特别注意它的布线问题。p g a 2 0 2 2 0 3 的基本的连接如图3 1 2 所示。为避免外部元件 引起的增益以及c m r 误差，应该按图示方法单点接地f ”l 。 东北大学硕士学位论文 第三章传感器及电路设计 v 图3 1 2p g a 放大电路单点接地 f i g 3 1 2s i n g l e - g r o u n dc o n n e c t i o no f p g ac i r c u i t 3 5 射随输出电路 在此级电路中，使用o p a 6 2 7 芯片连接成射级跟随器