（检测技术与自动化装置专业论文）高速电容层析成像系统设计.pdf

户听夕，z 鲈硕士学位论文 摘要 两相流广泛存在于自然界和工业生产中，其参数的实时检测难度较大，是一 个亟待发展的研究领域。电容层析成像技术( 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 ) 具有成本低、非侵入性、适用范围广和安全性能佳等特点，是过程层析成 像技术的研究热点之一，已发展成为一项重要的两相流参数检测技术。 但是电容层析成像技术发展至今还不完善，在系统设计和应用上尚存在不少 问题和难点。本文针对制约e c t 技术实时性的微弱电容测量速度和数据采集处 理速度等问题进行了研究，研制了一套基于d s p 和u s b 2 0 技术的高速e c t 系 统。经测试，该系统在保持较高测量精度的同时，极大地提高了数据采集速度。 本文的主要工作如下： ( 1 )深入分析了基于差分采样法的微弱电容测量电路，通过合理的时序 设计消除了电子开关的电荷注入效应；分析了电路的抗杂散电容性能；同时提出 了微弱电容的测量模型，并分析了影响测量电容分辨率的因素。通过将微弱电容 测量电路模块化设计，直接安装在径向电极上，实现了并行激励、串行测量，极 大地提高了电容检测速度，增强了抗干扰能力。 ( 2 ) 设计了基于数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 和复杂 可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 的e c t 控制处理 结构，优化了模拟信号通道及模数转换环节，引入通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，u s b ) 技术设计了e c t 的高速通讯模块，最后按照模块化的设计思想构造 了整个e c t 系统的下位机，并编写了下位机的程序，包括d s p 处理器的控制处 理程序、u s b 的固件程序以及c p l d 的逻辑设计。 ( 3 ) 对所设计的高速e c t 系统进行性能测试，其实时数据采集速度达到 了2 0 0 0 幅秒以上，满足了实际工业应用中的实时性要求。最后对e c t 系统的 设计提出了一些改进的意见。 关键词：电容层析成像，高速，d s p ，u s b 2 0 胁歹，z 鲈硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo n l i n em e a s u r e m e mo ft w o - p h a s ef l o wp a r a m e t e r sh a sb e c o m ead i f f i c u l t a n du r g e n tp r o b l e mt ob es o l v e d 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 ) ，w h i c hh a s a d v a n t a g e so fl o w - c o s t ，n o n i n v a s i v e ，w i d e l ya p p l i c a b l ea n ds a f e ，i s ap r o m i s i n g t e c h n i q u eo fp r o c e s st o m o g r a p h ya n dh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e sf 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 m b u tt h e r ea r es o m ep r o b l e m sa n dd i f f i c u l t i e si ne c ts y s t e md e s i g na n da p p l i c a - t i o n s t h et o p i c so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es m a l lc a p a c i t a n c em e a s u r e m e m ，d a t aa c q u i s i - t i o ns y s t e md e s i g nt h a tb e c o m e sb o t t l e n e c ko fr e a l t i m es y s t e m an e wh i g h s p e e d e c t s y s t e m ，b a s e do nd s pa n du s b 2 0t e c h n o l o g y , i sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns p e e dh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e dw h i l ek e e p i n g t h em e a s u r e m e n tr e s o l u t i o n t h em a i nw o r l 【sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es m a l lc a p a c i t a n c em e a s u r i n gc i r c u i tb a s e do nt h ed i f f e r e n t i a ls a m p l i n g m e t h o dp r i n c i p l ei sa n a l y z e d b yd e s i g no fr e a s o n a b l et i m es e q u e n c e s ，t h ei n f l u e n c e o ft h ec h a r g ei n j e c t i o ne f f e c ti se l i m i n a t e d t h em o d e lo ft h i sc i r c u i ti sp r o p o s e da n d t h ef a c t o r so fi m p r o v i n gt h er e s o l u t i o na r ea n a l y z e d ( 2 ) ad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n dac o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) a r eu s e dt od e v e l o pt h ec o n t r o lm o d u l e ，a n dt h eu s b 2 0t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt o d e s i g nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，w h i c hc a ni m p l e m e mh i 曲- s p e e dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne c ta n dp c a n dt h es y s t e mp r o g r a m s ，i n c l u d i n gd s pp r o g r a m ，u s bf i n n w a r ea n dc p l dl o g i c ，a r ed e v e l o p e d ( 3 ) t h ep e r f o r m a n c eo f t h ed e s f g n e ds y s t e mi st e s t e da n dt h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h e d a t aa c q u i s i t i o ns p e e do fo v e r2 0 0 0f r a m e sp e rs e c o n dh a sb e e na c h i e v e d ，w h i c h b r e a k st h r o u g ht h eb o t t l e n e c ko fd a t aa c q u i s i t i o ns p e e do fe c ts y s t e ma n dc a nm e e t t h er e a l t i m er e q u i r e m e n to ft h ei n d u s t r i a lp r o c e s s e s s o m es u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e d f o rf u r t h e rd e s i g no f h i g h - s p e e da n dh i 曲r e s o l u t i o ne c t s y s t e m k e y w o r d 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 , h i g h - s p e e d ，d s p , u s b 2 0 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期： 年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师王保良副教授和黄志尧教授的指导下完成的，感谢两位导 师两年来对我的培养和指导，使我不仅在系统设计、软件编程及硬件调试等各方面都有长 足的进步，而且学会了如何去面对学习上和工作上的困难。黄老师严谨的治学态度、王老 师扎实的理论知识和丰富的实践经验都给我留下了深刻的印象。 感谢李海青教授和冀海峰副教授对我学习上的指导和帮助。 在此，谨向四位老师致以诚挚的感谢! 衷心感谢课题组丁浩、彭珍瑞、李强伟、李霞、罗元国、朱建平、李国娜、李飞、刘 亦安、彭佩星等师兄( 姐) 的支持和帮助，还有胡松钰、卢国峰、张金章、孟振振、李力、 苏瑞东、贺贞贞、姜娓娓等在课题完成过程中给予的帮助，祝他们事业学业有成。 特别感谢我的父母二十多年来的养育之恩和默默的支持，在此向他们表达我最崇高的 谢意! 感谢我的朋友汪爱君对我的付出，还有其他关心、支持我的朋友，如傅炜钢、安庆敏 和张先富等等，在此向他们表示由衷的谢意! 郑伟军 二零零八年五月 于求是园 摘要 第1 章绪论 本章首先介绍了两相流的特征参数，以及特征参数的检测及其意 义；简述了应用于两相流参数检测的过程层析成像技术；主要介绍了 电容层析成像技术的发展现状和存在的问题；最后介绍了本文的主要 工作。 本章主要内容 两相流及其检测技术 过程层析成像技术 e c t 系统的技术要点和存在问题 本文的主要内容 加歹? z 掌硕士学位论文 1 1 两相流及其检测技术 随着经济和科学技术的发展，多相流动体系在国民经济和人类生活中的地位 日益重要。多相流动体系中又以两相流动体系最为普遍。两相流动体系在自然界 和工业生产中涉及范围十分广泛，如在石油、化工、冶金、动力及原子能等工业 领域，其特征参数的检测对于合理地开发利用资源、调整和优化工业过程均具有 相当重要的意义【1 翻。 由于多相流动体系中存在界面效应和复杂多变的流型，因而其参数检测比单 相流体系检测的难度要大得多，参数也复杂得多。在两相流中，由于存在一个形 状和分布在时间和空间里均随机可变的相界面，描述两相流的参数与描述单相流 动的参数相比，增加了一些特征参数，如：流型、截面分相含率、速度、流量和 压力降等。研究较多的测量方法多涉及新技术：如辐射线技术、激光多普勒技术、 核磁共振技术、超声技术、微波技术、光纤技术、脉冲中子活性示踪技术、相关 技术、流动成像技术等，也有很多研究工作是应用传统的单相流仪表和两相流模 型进行多参数组合辨识而检测的。这些两相流参数的检测技术和方法大都处于实 验室应用研究阶段，可以说，两相流参数检测在国际上尚属一个亟待发展的研究 领域1 3 j 。 1 2 过程层析成像技术 鉴于两相流学科在国民经济发展中的重要地位和两相流参数检测技术在两 相流研究中的重要意义，许多新的科学技术一旦问世，便被研究和应用到两相流 检测领域中，过程层析成像技术( p r o c e s st o m o g r a p h y ，p t ) 便是这类技术的典 型代表。p t 技术被视为两相流检测技术研究发展的重要方向之一，它能够在不 破坏或干扰两相流流体流动的情况下提供有关流经管道的两相流体各相组分的 微观分布信息。该信息的获取为从根本上解决两相流体各相分布等因素对两相流 参数测量的影响问题提供了一条有效途径，使系统各参数的准确测量成为可能。 p t 技术经过多年的研究和发展已取得了很大进步，现已提出十几种不同敏 感机理的系统。依据信息获取手段和传感激励的不同，p t 可分为x 射线层析成 像、y 射线层析成像、正电子发射层析成像、核磁共振成像、中子射线层析成像、 光学层析成像、微波层析成像、超声层析成像、电容层析成像、电阻( 导) 层析 2 第l 章绪论 成像、电磁感应层析成像等1 4 1 。 其中电容层析成像( 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 ，简记e c t ) 技术是 一种基于电容传感机理的层析成像技术，是目前p t 技术的研究热点之一。 1 3e c t 系统的技术要点和存在问题 电容层析成像技术( e c t 技术) 是迄今为止最为广泛研究的一种过程层析 成像技术，它具有成本低廉、速度快、非侵入性、适用范围广和安全性能佳等优 点，工业应用前景较为广阔1 5 1 。自2 0 世纪8 0 年代以后，国内外众多研究人员在 有关电容层析成像技术的各个方面均做了大量而深入的工作，应用研究涉及化 工、石油、冶金、能源等多个领域并已取得非常多的成果【纠们。 电容层析成像技术经过二十几年的发展，已在诸多方面得到了研究和应用， 但是目前技术发展仍然不够成熟，仍有很多难点问题需要克服，如微弱电容的检 测问题、电容测量的“软场特性、测量对象的快速多变性等【1 1 1 。 e c t 系统的技术要点主要分为两部分，一是微弱电容的测量和采集，二是由 采集的电容数据进行图像重建或者多相流参数的测量。本文要研究的是微弱电容 的测量和采集。e c t 微弱电容测量的技术难点： ( 1 ) 测量电路要求具有很高的抗杂散电容能力，由于杂散电容一般要比 被测量的电容大得多，如果测量电路没有很强的抗杂散电容的能 力，被测量的电容就会被淹没在杂散电容中而无法准确测量【1 2 - 1 3 1 。 ( 2 )测量电容的电路要求具有很高的分辨率，为了满足实际工业应用需 要，e c t 系统要求测量电路的分辨率在伊级( 1 行= l o 1 5 f ) 。 ( 3 )测量电路要求具有较好的测量线性度和较大的测量范围，在e c t 系统中，电容测量范围从f f 级到p f 级( 1 p f = 1 0 。1 2 f ) ，最小电容和 最大电容相差两个数量级，这就要求测量电路在整个测量范围内有 一致的信号处理性能。 ( 4 )低漂移。由于传感器电极静态电容及电容变化量非常小，为使e c t 系统能够长期稳定地工作，相应地要求测量电路具有较低的漂移， 否则漂移信号将淹没测量信号i 1 4 1 。 另一个要研究的技术难点是电容的实时采集。由于测量对象的快速多变性， 3 胁夕，z 学硕士学位论文 要实现在线测量，就要求e c t 技术不同于医学上的c t 技术，需要要具有较高 的实时性。为了保证e c t 系统的实时性，数据采集部分必须同时具有较高的数 据采集速度和传输速度【l5 1 ，才能迅速地将数据传给计算机进行图像重建和数据处 理。目前，现有e c t 系统的数据采集部分速度还不够快，实时性还不够强，并 且通讯部分的传输速度也不够快，导致了整个系统实时性的降低。 本文针对上述问题进行了探讨，设计实现了并行测量电容的方案，提出了用 d s p 技术和u s b 2 0 技术来构建e c t 系统的新型数据采集系统，不仅能快速准 确地采集电容，而且实时地将电容数据传输到计算机进行图像重建或者多相流参 数测量，从而保证了e c t 系统的实时性。 1 4 本文主要内容 e c t 技术经过多年来的研究和发展取得了很大的进步，并正逐步走向实际 应用。e c t 系统需要较高的数据采集速度，不仅需要系统具有较高的电容测量 速度，同时还应具有较高的控制速度和通讯速度。目前，传统的e c t 系统利用 单片机和分立元件进行数据采集控制，利用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 与计算机通讯，这 已经满足不了e c t 系统对实时性的要求，因而需要寻求高速的数据采集系统和 新的通讯方式来解决这个问题。 鉴于e c t 系统存在的问题及其在两相流参数测量方面的应用潜力，本文针 对高速新型e c t 系统的设计和应用问题进行了探讨。在浙江大学多相流课题组 近年来取得的研究成果基础上，研究并设计了基于d s p 技术和u s b 2 0 技术的高 速新型e c t 系统。论文具体安排如下： 第一章绪论。简述了两相流参数检测的意义和现状：介绍了过程层析成像 技术在两相流参数检测中的应用；主要介绍了目前e c t 系统所面临的主要问题； 最后阐述了本文的主要工作。 第二章文献综述。简述了e c t 技术的发展现状，重点介绍了e c t 技术， 包括其系统原理、传感器、微弱电容的测量方法和通讯方式，最后介绍了u s b 2 0 技术的通讯优势。 第三章高速e c t 的硬件系统设计。详细描述了高速e c t 的硬件系统设计， 首先深入分析了差分采样法的微弱电容测量电路，其次设计了基于d s p 处理器 4 第1 章绪论 和c p l d 的控制处理结构，然后优化设计了模拟信号通道及模数转换环节，接着 引入u s b 技术设计了e c t 的高速通讯模块，最后按照模块化的设计思想设计了 整个系统的结构，推进了e c t 系统的实用化工作。 第四章系统软件设计。介绍了系统的下位机软件设计，以d s p 软件设计为 重点，详细介绍了其程序结构，主程序流程，以及各个功能模块的设计，给出了 几个重要模块的程序流程，如数据采集模块和通讯模块；然后简述了u s b 固件 的功能和实现框架。 第五章性能测试。通过静态实验和动态实验对设计的e c t 系统进行了性能 测试，通过实验表明所设计的系统无论在线性度、稳定性、成像效果、分辨率等 方面都有比较好的结果，尤其在成像速度上，更是满足了e c t 系统的实时性要 求。 第六章结论和建议。对全文所做的工作进行了总结，并且给出了进一步研 究改进e c t 系统的建议。 1 5 本章小结 本章对两相流参数的检测及其意义进行了简要介绍，包括两相流的特征参数 和应用于两相流参数检测的过程层析成像技术，重点介绍了e c t 技术存在的问 题，最后阐述了本文的主要研究工作。 第2 章文献综述 摘要 本章简述了e c t 的发展历程和现状，重点介绍了e c t 技术， 包括其e c t 系统的原理、e c t 传感器，比较了各种微弱电容检测方 法以及e c t 的通讯方式，最后简述了u s b 2 0 技术，介绍了它的优 势和发展历史。 本章主要内容 e c t 技术发展历程及现状 e c t 的基本原理 e c t 传感器 电容数据采集系统 e c t 通讯方式 u s b 技术综述 7 加歹，z 掌硕士学位论文 2 1e c t 技术综述 2 1 1e c t 技术发展历程及现状 电容层析成像技术是p t 技术中较早被研究的一种技术。自上世纪八十年 代中期开始，以英国的曼彻斯特大学理工学院( u n i v e r s i t yo f m a n c h e s t e ri n s t i t u t e o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，简记u m i s t ) m s b e c k 教授为首的研究小组最早 开展了基于电容传感机理的层析成像技术研究，并于1 9 8 8 年率先研制成功了一 种结构简单、价格低廉、动态响应好以及非侵入的8 电极电容层析成像系统 1 6 - 17 】。1 9 9 0 年该系统发展成为具有1 2 电极，配备了高速并行处理器件的电容 层析成像系统，其在线成像速度达4 0 帧秒，并在油气混合流体实验装置上稳 定运行。 美国能源部摩根城研究中心于1 9 9 0 年设计了1 6 电极电容层析成像系统用 于流态化研究，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【1 8 】，该传感器阵列有四层，每层由1 6 个极板组成，可同时重建出流化床 四个不同高度上空隙率截面分布的图像，重建速度达到3 0 帧秒，并可以1 0 0 次秒的速度全面更新所储存的数据。 这些早期的科研成果，极大地鼓舞了科技工作者，吸引了不同国家的科技 工作者也开展了这方面的研究。我国也有不少科研单位相继开展了研究，并取 得了令人鼓舞的成果。近年来，随着众多科研人员的努力，e c t 技术的研究逐 步走向深入，是过程参数检测领域中的研究热点之一。 2 1 2e c t 技术的基本原理 电容层析成像技术的基本原理是：多相流体各分相介质具有不同的介电常 数，当各相组分浓度及其分布发生变化时，会引起多相流混合体等价介电常数 的变化，从而使其测量电容值随之发生变化，电容值的大小反映多相流介质相 浓度的大小和分布状况。采用多电极阵列式电容传感器，测出各电极之间的电 容，这些电容组合可提供反映多相流体相浓度的分布，以此作为投影数据采用 图像重建算法，即可重建反映管道在被测区域内多相流介质分布状况的图像。 8 第2 章文献综述 对于i l 电极系统，阵列式电容传感器各电极两两组合可获得 m = q = 力( 疗一1 ) 2 个电容测量值，每对电极间的电容测量值称为一个投影【1 1 1 。 任意两电极i 和j 间的电容测量值可以表示为： c ：f ，= 胪( x ，夕) 岛( x ，y ，s ( x ，y ) ) d x d y ( 2 1 ) d 其中，c f 为电极i 和j 之间的电容值。 s ( x ，j ，) 为管道横截面上介电常数分布函数； d 为管道横截面； 最( z ，y ，e ( x ，y ) ) 为电极i 和j 之间的敏感场分布函数。 电容层析成像就是根据s o ( x ，y ，e ( x ，y ”及多个投影数据c o 来求解s ( x ，y ) 的 一个逆问题求解过程。其中敏感场分布函数瓯( 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，由这些近似估计值便可得到管截面上多相介质的相分布情 况。 一个基本的电容层析成像系统( 如图2 1 ) 由三部分组成电容传感器、 电容数据采集系统和图像重建计算机。任一部分的好坏都会影响系统的性能。 传感器将两相流体的分布转化为传感器的输出电容；数据采集系统将这些电容 转化为易于测量的电压，并转化为数字量传送给计算机，这部分是e c t 系统的 核心，决定着整个系统的性能；计算机依据一定的图像重建算法完成图像重建 工作【3 1 。 传感器 图2 1e c t 系统的基本组成 9 胁歹；z 掌硕士学位论文 2 1 3e c t 电容传感器 电容传感器在e c t 系统中的作用是将传感器敏感空间内两相流体的分布 转换为各电极对间的电容，是系统信息的来源。e c t 系统对传感器的性能要求 为：( 1 ) 灵敏度高；( 2 ) 稳定性好；( 3 ) 抗干扰的能力强；( 4 ) 高频特性好。 填充材料 屏蔽罩 图2 2e c t 系统的传感器结构图 e c t 传感器一般由绝缘管道、检测电极和屏蔽电极三部分组成。绝缘管道 一般采用绝缘的透明有机玻璃，以便对流动状态进行观察；其壁厚的选择对传 感器的性能影响较大，若管壁太厚，则相邻电极的灵敏场主要位于管壁内部， 致使其测量电容值非线性失真严重，影响了重建图像的质量1 1 9 】；管壁材料和厚 度的选择也要考虑到腐蚀、耐温和磨损等方面的要求。 检测电极由铜箔制成，根据检测电极位于管道外侧或内壁的安装位置以及 有无径向屏蔽电极可以把电容传感器分为四种，最常见的传感器结构如图2 2 。 其中p 为检测电极所对应的圆心角，用以描述电极的宽度；大的电极张角可保 证产生较大的电容变化量和高的分辨率，特别是对于相对变化量最小的相对电 极。 屏蔽电极主要由屏蔽罩、径向屏蔽电极和轴向屏蔽电极组成。屏蔽罩一方 面可以抑制外界电场的干扰，另一方面防止屏蔽罩外空间的等效物质介电常数 的变化影响了电容值。径向电极是与屏蔽罩相连指向圆心的金属片，它一方面 便于安装c v 转换电路模块，另一方面减小相邻电极间的电容和提高电容响应 的灵敏度【2 。实际设计中，径向屏蔽电极对于e c t 系统的性能非常重要，是 e c t 屏蔽系统中最主要的部分。 轴向屏蔽电极安装在检测电极沿轴向的外侧，目前屏蔽电极的形式主要有 两种，一般称为u m i s t 和m e t c 型【2 2 1 。u m i s t 型结构的传感器结构简单，加 工方便，其相应的电容测量系统的结构也较简单。但由于图像重建算法的往往 1 0 第2 章文献综述 假设传感器内电力线分布为二维形式，而此结构的传感器的电力线会沿轴向向 外发散，引起误差。m e t c 型的传感器可在传感器内形成平行的二维电场，沿 轴向发散较小，可较好地满足图像算法研究中的假设条件。但该传感器制作较 复杂，并且对电容测量系统的要求较高。k u l m 应用e c t 对流化床进行研究的 实验表明，u m i s t 型适用于小口径的传感器，而m e t c 型结构对于较大口径 的传感器也适用1 2 ”。 2 1 4 电容数据采集系统 电容数据采集系统由电容电压( c 厂v ) 转换模块、数据采集控制模块、a d 转换模块以及数据通讯模块组成。其中电容电压转换电路将两个电极之间的电 容大小转换成相应的电压值，是整个电容数据采集系统的关键部分。 电容的测量在许多领域中都有涉及，但它在不同领域中的要求往往大不相 同。而e c t 对电容测量提出了更为苛刻的要求，是e c t 技术实现实用化过程 中的主要困难之一。e c t 系统测量微弱电容的技术要求主要有：实时性要求高、 抗杂散电容、测量动态范围大、较好的测量线性度和低漂移等。根据这些要求， 目前在e c t 中应用的电容测量原理主要为电荷转移法 2 3 1 ( c h a r g et r a n s f e r ) 、交 流法1 2 4 1 ( a c b a s e d ) 、有源差分法i 2 5 1 ( a c t i v e - d i f f e r e n t i a t o r - b a s e d ) 、磁感应c n 转换法以及高压交流双边激励法1 1 8 】。 1 、电荷转移法 电荷转移法应用于最早出现的e c t 系统中，它是利用开关高速的切换来对 被测电容充放电，形成与被测电容成正比的电压信号，从而测量被测电容值。 因此电荷转移法又称充放电法。其电路原理图如图2 3 所示： 图2 3 电荷转移电路原理图 加歹，z 鲈硕士学位论文 图2 3 中c x 为被测电容，其两电极分别与电子开关s l 、s 2 和s 3 、s 4 相连； c 笛和c b 。分别为两电极与地间形成的杂散电容；图中两个运放构成的电路是两 个电流检测器；r f 与c f 构成阻容滤波器来实现滤波功能。 首先s l 、s 3 闭合，s 2 、s 4 断开，此时v 。通过s l 、s 3 对c ，【充电，流经s 3 的电荷量为： q = 屹e( 2 2 ) 待c ，充电完毕，s l 、s 3 断开；经延时后，s 2 、s 4 闭合，此时c x 通过s 2 、 s 4 放电，流经s 4 的电荷量为： 0 2 = 一k e ( 2 3 ) 当电子开关以一定的频率f 不断对c x 充放电时，最后得到电流检测器的输 出分别为： k = 一圪e r ，+ q ( 2 4 ) 匕= 形e 尺，+ 乞 ( 2 5 ) 其中e l ，e 2 是由于电荷注入效应产生的输出。为了提高测量电路的灵敏度， 采用差动输出，以两个虎流检测器输出电压之差来表示电容值，可得输出电压 为： v = 吒一k = 2 f r ：v 。c x + ( e 2 一e i ) ( 2 6 ) 杂散电容c 雏、c b 。的存在不对输出产生影响，因而本电路具有抗杂散电容 干扰的能力。但该电路是通过反复激励被测电容来测量的，测量信号中由反复 激励所造成的脉动噪声需要先进行滤波才能采集，这就造成了测量信号的平稳 性和数据采集速率之间的矛盾。因为滤波器时间常数越大，测量信号越平稳， 但这样会使电容测量周期变长；滤波器的时间常数越小，数据采集速率越快， 但是噪声会增大，目前国内外文献报道的最快采集速率为1 0 0 幅秒。此外，开 关的切换还会使测量受电荷注入效应的影响。 2 、交流法 交流法是e c t 技术中最常用的方法之一，与电荷转移法相比，除了具有测 1 2 第2 章文献综述 量速率快、抗杂散电容的能力外，还具有电荷注入效应小、低漂移等特点。其 测量原理如图2 4 所示。 r f 图2 4 交流法电路原理图 图中c x 为被测电容，c 笛和c b s 分别为两电极与之地间形成的杂散电容。采 用正弦电压v i ( t ) 作为测量c x 的激励源，产生的交流电流经带有反馈电阻r f 和 反馈电容c f 的运算放大器后，输出电压v o ( t ) 为： 卜嵩备 其中国为激励源正弦波频率。当o x t ：r f l 时，则式( 2 7 ) 可简化为： ( 2 7 ) 圪= 一等k ( 2 8 ) l r 从式( 2 8 ) 中可知，输出电压不受激励源角频率变化的影响。同时由式( 2 7 ) n - - i 知正弦激励信号频率缈越高越有利于提高系统精度，但由于激励信号源有内阻， 信号频率不能无限大。存在一个极限频率，当大于这一频率时杂散电容c 舔会 因充电不满而将电源电压拉低，使测量结果不准确。而且若c f 、r f 满足 以r r r 1 ，会使放大器过渡时间增加，从而降低系统数据采集速率。 针对以上存在的问题，也有人提出了一种新的方法，l i l j 令o , , c ：吩1 ，输 出电压v o ( t ) 变为： v o = 一j f 投e r ，k ( 2 9 ) j 表示输出信号与激励源有9 0 。的相移。采用这种方法可提高灵敏度，而 且放大器过渡时间大大减小。但输出比较容易受激励源频率变化的影响。 交流法是目前为止分辨率最高的方法，同时还可以有效抑制直流漂移。但 1 3 胁夕，z 掌硕：l 学位论文 交流法电路比较复杂且费用较高；另外高频激励信号产生较困难，低频滤波器 的使用同样限制了数据采集速度的提高。 3 、有源差分法 图2 5 有源差分法电路原理图 基于有源差分法( a c t i v e d i f f e r e n t i a t o r - b a s e d ) 原理的电容电压转换电路如 图2 5 所示。有源差分法在整个测量过程中，只经历两次充放电过程，时间极 短，因此数据采集速度容易提高，使得该方法具有一定的潜力。但是该方法也 需要产生激励信号源。 4 、其它方法 此外，磁感应c n 转换法和高压交流双边激励法，具有较高的测量分辨率、 灵敏度和抗杂散性，但是激励方式比较复杂，制作成本较高。 2 1 5e c t 通讯方式 通讯环节是e c t 系统一个重要的方面，通讯距离、速度和质量直接关系 e c t 系统的性能好坏【1 9 1 。 通讯距离。一般e c t 系统的传感器直接安装在管道上，数据采集电路尽可 能靠近传感器，而图像重建计算机往往离开管道有一定距离。因此e c t 系统在 数据采集电路和图像重建计算机之间通讯需要经过一定的距离，因此要求e c t 系统的通讯部分必须满足应用要求。 通讯速度。e c t 系统的数据采集速度主要由数据采集电路的速度和数据通 讯速度来决定。医用c t 与工业p t 的主要不同点之一在于成像速度的差异。医 用c t 可以用几分钟的时间给出一张图像，然而工业p t 要求每秒几十到几百幅 的成像速度。例如，对于1 2 电极e c t 系统，重建一幅图像需要6 6 个电容值， 每个数据2 个字节，如果要达到2 0 0 0 幅秒的成像速率，数据采集速度要达到 2 1 1 2 m b p s ，考虑到计算机相关命令和控制信号的传送，数据的传输速度将高于 1 4 第2 章文献综述 2 1 1 2 m b p s 。若使用计算机r s 2 3 2 串行口，比特率最高为1 1 5 2 k b p s ，显然不能 满足e c t 系统的高速传输要求。为实现实时成像需要对e c t 系统的通讯部分 进行设计。 通讯质量是另一个重要的方面，必须保证e c t 数据采集系统和图像重建计 算机之间高速通讯的可靠性【2 6 1 。 有关e c t 通讯方面的文献较少，见诸报道的e c t 方面的通讯方式主要是 串口通刹2 7 之引、光纤通讯【2 9 - 3 0 1 和i e e e 1 3 9 4 通刹3 。光纤通讯主要有连接适配 芯片c 0 1l 和光纤组成，其传输速度可达1 0 到2 0 m b p s 。光纤通讯速度高，距 离远，可靠性高，但是结构相对复杂，成本较高，难以推广。i e e e 1 3 9 4 是除 了u s b 接口以外的另一种新的外围设备接口，与u s b 2 0 一样在通讯速度上具有 绝对的优势，它使用点对点的模式，外围设备可以彼此沟通，单一的传输可以 同时传给多个接收设备，具有弹性，但是相应的外围设备的电路较复杂，并且 费用较高【3 2 j 。 2 2u s b 技术综述 2 2 1u s b 简介 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 是应用在p c 领域的新型接口 技术。u s b 的优点有以下几点1 3 3 】： ( 1 ) 容易使用。容易使用是u s b 的主要设计目标。u s b 的设计具有很多 特性，如不同种类的u s b 外围设备可以使用相同的接口；u s b 接口包含+ 5 v 的电源线以及地线，外围设备在电流要求小于5 0 0 m a 的情况下可以直接使用该 接口提供的电源；支持热插拔；无需用户设置等等。 ( 2 ) 传输速度快。在传输速度方面，u s b 支持三种信道速度：低速的 1 5 m b p s ，全速的1 2 m b p s ，以及高速的4 8 0 m b p s 。这些速度是指信道支持的位 速率，每一个u s b 设备实际传输的速度会比这个低。除了数据之外，信道还需 要传输状态、控制和错误检查的信号。 ( 3 ) 稳定性。u s b 驱动程序、接收器以及电缆的硬件规范，都保证尽量 减少噪声干扰产生的错误数据。如果u s b 协议检测到数据有错误，它会通知发 加夕，z 鲈硕士学位论文 送端重新发送数据。这些特性都由硬件来完成。 ( 4 ) 有弹性。u s b 的4 种传输类型与3 种传输速度让外围设备可以有弹 性的选择。不管是交换少量或大量的数据，还是有无时效的限制，都有合适的 传输类型。 此外还有低成本、低功耗等优点。 u s b 的缺点有以下几点： ( 1 ) 点对点的通信。 ( 2 ) 距离的限制。 ( 3 ) 协议的复杂性。 此外还有版权费、速度的限制等缺点。 2 2 2u s b 发展历程 传统的计算机外部设备一般都是使用串行接口和并行接口与计算机通讯 的。串行接口使用r s 2 3 2 串行通讯标准，适用于设备之间的通讯距离不大于1 5 米，传输速率最大为2 0 k b s 的场合。它的优点主要是开发方便，几乎所有的硬 件开发人员都能很容易地使用串行接口实现设备与计算机问的通讯。并行接口 使用的是并行通讯协议，在开发和使用上都不是很方便，但它的速度较串行接 口有很大的提高，在传输距离不长的情况下可达到1 m b s 以上的传输速度 虽然r s 2 3 2 串行端口与并行端口在计算机上已使用了很多年，物理层的协 议己经相当成熟，但随着计算机与外围设备的发展，它们己无法满足目前计算 机设备不断提高的速度而逐渐成为通讯的瓶颈，在高传输速率的场合根本无法 满足要求。同时由于外部设备不断增加，计算机所提供连接外设的资源日渐捉 襟见肘，时常因为不能提供更多的接口，而导致各种i o 的冲突，加之各种外 设缺少一个双向、低价、即插即用的统一的总线，限制了外部设备的开发。因 此，简化外设扩充方法使之方便易行，便成为各个p c 机厂家面临的重大研究 课题。 在这个背景下，19 9 4 年i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a le q u i p m e n tc o r p ( 现属于 c o m p a q ) 、i b m 、m i c r o s o t t 、n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m 世界上著名的七家计算 机与通讯业领先公司联合制定了u s b 规范，并推出了版号为0 7 的正式版本。 1 6 第2 章文献综述 但这时它还不够完善，当然用户也很少，直到1 9 9 6 年1 月u s b i 0 版本发布后， u s b 技术才相对成熟，但是由于在m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 9 5 里，u s b 并不 是操作系统的标准支持项目，所以当时u s b 在p c 领域并未获得广泛应用，而 主要用于人机接口设备，如以u s b 连接鼠标和键盘等。 1 9 9 8 年6 月w i n d o w s 9 8 和同年9 月u s b l 1 发布后，u s b 相关的驱动程序都己变 成操作系统的标准配置，利用u s b 连接外围设备开始为广大用户认可，u s b 开始 变成一个流行的接口，市场上出现了大量的u s b p i 设，但其传输速率仅限于 1 2 m b s ，远低于4 0 0 m b s 的i e e e 1 3 9 4 总线。a p p l e 和s o n y 由于制定i e e e 1 3 9 4 总 线标准获得了可观的标准使用许可费用。因此为了与i e e e 一1 3 9 4 竞争，以i n t e l 为 主的一些硬件厂商和开发商又联合制定了u s b 2 0 规范。2 0 0 0 年4 月，u s b 2 0 版发 布，其理论传输速率提高到4 8 0 m b s ，足以满足大多数外设的速率要求并且实现 了与u s b i 1 的兼容。u s b l 1 的连接器和全速电缆不需作任何改变就可以支持 u s b 2 0 的高速。另外，u s b 2 0 特别定义了微帧结构，使得u s b 2 0 设备在小缓存 的情况下依然能够高速率地传送数据。不过如果外设并不支持如此高速度的话， 系统将还原到较早的1 2 m b s ( 全速) 或1 5 m b s 上来。 u s b 2 0 的高速传输速率有效地解决了目前建置于u s b l 0 及u s b l 1 版本 上的设备的传输瓶颈，同时u s b 2 0 可向下支持目前各种以u s b l 1 为传输接口 的各种外围产品，这些特性使得u s b 2 0 接口有望成为未来计算机外围产品的 主要传输接口。 2 3 本章小结 本章首先简述了e c t 的发展历程和现状，重点介绍了e c t 系统，包括e c t 系统的原理、e c t 传感器、电容测量方法和e c t 的通讯方式，最后介绍了设计 中用于e c t 的u s b 2 0 技术的优势和发展历史。 1 7 第3 章高速e c t 系统硬件设计 摘要 本章详细描述了高速e c t 的硬件系统设计，首先深入分析差分采 样法的微弱电容测量电路，通过合理的时序设计消除了电子开关电荷 注入效应；设计了基于i ) s p 处理器和c p l d 的控制结构，不仅提高系 统数据处理能力，也增强了系统的控制能力；将系统中重要的模拟信 号通道及模数转换环节进行了优化设计；然后简要介绍了 j s b 2 o 的 通讯协议，设计了e c t 系统的高速通讯模块；最后按照模块化的思想 对整个系统的硬件结构进行了设计，有利于推进e c t 系统的实用化工 作。 本章主要内容 硬件系统总体设计 微弱电容的测量 高速数据采集系统设计 基于d s p 和 j s b 2 o 的通讯方案 系统结构设计 加夕，z 掌硕上学位敝 3 1 概述 如前所述，电容层析成像( e c t ) 技术是目前最为广泛研究的一种两相流过 程层析成像( p t ) 技术。它是利用两相介质往往具有不同的介电常数，通过电 容传感器获得管道截面上介质的等效介电常数分布而获得介质分布的图像。它主 要分为电容传感器、电容数据采集系统和图像重建计算机三大部分组成。传感