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啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 电极电容层析成像 数据采集系统的设计及软件开发 摘要 电容层析成像技术( e c t ) 是基于电容敏感原理的过程层析成像技术 ( p d 。该技术具有非辐射、非侵入、响应速度快、成本低廉和安全性能好等 优点，已发展成为一门重要的两相流参数检测技术。但e c t 技术为了应用 于实践，还有一些有待完善的地方，如：微弱电容检测、改善系统的抗干扰 性能等方面。 本文以1 2 电极电容层析成像系统为研究对象，深入研究了电容层析成 像技术的特点、工作原理和系统构成；通过有限元仿真得到的电容值仿真 参数，设计微小电容测量电路模型：将相敏解调原理应用到系统中，以实 现对噪声信号的抑制，采用高精度乘法器、八阶低通滤波器实现抗噪声干 扰的相敏解调电路；分析了耦合电容对系统的影响，建立了前项补偿消除 耦合电容的理论模型，通过硬件电路、软件实时补偿消除了耦合电容：设 计了一套简化电路结构的极板开关控制阵列，使所有极板共用一个正弦激 励信号和一路c v 转换电路；分析串口实现下位机与上位机通信的可行 性，有效性；采用d s p 芯片为核心控制芯片，编写下位机软件，实现对数 据采集系统的控制及与上位机的串口通信编写上位机程序，实现对数据的 接收与保存。最后，在数据采集系统上进行试验，验证了方法的可行性， 系统的精度达到了o 4 9 9 7 4 v p f ，较好的解决了微弱电容的测量问题，提高 了系统的抗噪能力。 关键词电容层析成像：数据采集系统；相敏解调；数字信号处理器 堕查鎏耋三奎兰三茎堡圭耋堡丝圣 d e s i g no f d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi n1 2 一e l e c t r o d e e c ta n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t 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 yt e c h n i q u e ( e c t ) i sak i n do fp r o c e s s t o m o g r a p h yt e c h n i q u e ( p t ) b a s e do nt h es e n s i t i v ep r i n c i p l eo fc a p a c i t a n c e t h e t e c h n i q u ew i 廿li t sa d v a n t a g e ss u c ha sn or a d i a t i o n , n oi n v a s i o n 。h i g hs p e e do f r e s p o n s e ，s i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，w i d ea p p l i c a t i o nr a n g e ，b e t t e rs a f e t ya n ds o o nh a sn o wb e i n gam o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u eo ft w o - p h a s ef l o wp a r a m e t e r m e a s u r e m e n t b u tt h e r ei ss t i l lal o to fw o r kt ob ed o n ef o rp r a c t i c a lu s eo ft h e t e c h n i q u e ，f o re x a m p l e ：l o wc a p a c i t a n c em e a s u r i n g ，i m p r o v i n gt h e a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n ds oo n t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h es t u d yo f1 2 - e l e c t r o d ee l e c t r i c a lc a p a c i t a n c e t o m o g r a p h ys y s t e mf o ro i l - w a t e rt w o p h a s em e a s u r e m e n t t h ec h a r a c t e r i s t i c s ， t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e s ，a n dt h es t r u c t u r eo fe c ts y s t e ma r es t u d i e d l o w c a p a c i t a n c em e a s u r e m e n tc i r c u i ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed a t af r o mf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s p h a s es e n s i t i v i t yd e m o d u l a t i o ni su s e di nt h es y s t e mf o r r e s t r i c t i n gn o i s ei m e r f e r e n c e t h ei n f l u e n c eo fc o u p l i n gc a p a c i t a n c e t ot h e m e a s u r e m e n ts y s t e mi sa n a l y z e d am o d e lo fc o u p l i n gc a p a c i t a n c ec o m p e n s a t i o n i sp r o p o s e d ，a n di sb u i l tu s i n gh a r d w i r ea n ds o f t w a r eo fr e a lt i m ec o m p e n s a t i o n ac i r c u i to fe l e c t r o d e - c h o s e ni s d e s i g n e d ，a n de l e c t r o d e s s h a r et h ec v c o n v e n i n gc i r c u i ta n ds i g n a lg e n e r a t o r t h ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo fu s i n g r s 2 3 2a x ea n a l y z e d ，a n dd i g i t a ls i g t u dp r o c e s s o rc h i pi st a k e na sc o r ec o n t r o l l i n g c h i p 。t h es o f t w a r eo fu p p e ra n dl o w e ri sp r o g r a m m e d f i n a l l y ，e x p e r i m e n ti s d o n ei nt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n tp r o v et h a tt h e m e t h o di sf e a s i b l e ，a n dt h es e n s i t i v i t yo ft h es y s t e mi s0 4 9 9 7 4 v p f t h em e t h o d s o l v e st h ep r e c i s i o np r o b l e mo fl o wc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n t ，e n h a n c e st h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo f t h es y s t e m 1 1 竺兰堡堡三奎耋三茎堡圭耋堡丝兰 k e y w o r d se 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 ；d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ；p h a s e s e n s i t i v i t yd e m o d u l a t i o n ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1 2 电极电容层析成像数据 采集系统的设计及软件开发，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得豹成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：粉 日期：2 0 。7 年3 月1 4 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 ( 1 2 电极电容层析成像数据采集系统的设计及软件开发系本人在哈尔 滨理工大学攻读硕士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研 究成果归啥尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 站傣 部谯之 日期：2 0 0 7 年3 月1 4 日 日期：2 0 0 7 年3 月1 4 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 两相流动体系在国民经济和人类生活中的地位日益重要。上个世纪后半 时，原子能核电站和航天工业的迅速发展、动力工业和石化工业高参数的引 入以及对环境保护的日益重视，使得两相流领域研究工作迅速发展起来，目 前已成为国内外学者极为关注的前沿学科。对两相流体系而言，要认清现 象、获得概念、建立模型并进行过程的预测、设计和控制，首先要解决的就 是两相流参数的检测问题。但是由于两相流系统的复杂性和随机性，其参数 检测的难度较大，在很多情况下，两相流检测技术已成为目前两相流研究中 的一个制约性因素i i 】。近年来国际上对两相流的研究兴趣在持续增长，其原 因在于许多生产设备中都存在着两相流体的流动问题，要经济而可靠地研 制、设计和运转这些设备就必须具备各种两相流流动方面的知识，并实时检 测相关的两相流参数。两相流不仅在一系列现代工程中得到了广泛应用，而 且对促进这些工程设备的发展和创新也起到了重要的作用。 石油开采是一种典型两相流体的测量。现阶段石油开采分为三个阶段。 一次采油是依靠地层能量进行自喷开采，其产量约占蕴藏总量的 1 5 * * - - , 2 0 。在地层能量释放以后，用人工注水或注气的方法增补油藏能 量，使原油得以连续开采，这称为二次采油。三次采油注入化学物质如：表 面活性剂、聚合物稠化水、碱水、c 0 2 、碱加聚合物、惰性气体、烃类混相 等。来改善油、气、水及岩石相互之间的性能，开采出更多的石油。在二 次、三次开采中油井内流出的是石油和其它物质的混合物，即两相流。由于 开采工艺不同，各开采阶段中油井内产出的流体的组分、特征不同，这就要 求在不同阶段使用不同的测量方法及仪器，特别是在国家提出对老工业基地 进行改造的前提下，急需在原有技术的技术基础上对现有设备进行改造和技 术创新。 电容层析成像作为一种新型的两相流检测技术，具有适用范围广、非侵 入式、安全性能好等优点，各种工业生产过程中常见的多相流均能应用该技 术，并且成本低廉，更适合我国的国情。电容层析成像技术为从根本上解决 多相流的多参数可视化测量问题提供了条较好的途径，是实现多相流参数 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 在线检测的种理想手段。 1 2 电容层析成像的相关概念 i - 2 i两相流及其检测技术 相的概念通常是指某一系统中具有相同成份及相同物理、化学性质的均 匀物质部分，各相之间有明显可分的界面1 2 l 。 从宏观的角度出发，通常可将自然界中的物质分为三种相，即气相、液 相和固相。所谓两相流是指同时存在两种或多种不同的物质流动口1 1 ”。在两 相流的研究中，也常常将物质分为连续介质和离散( 非连续) 介质。 两相流在自然界和工业生产中涉及范围十分广泛。自然界中的下雨、下 雪、江河湖海中的泥沙流动和水土流失，空中弥漫的烟尘、沙漠中的风沙流 动等等都是与人类生活有关的两相流动现象。在化工、石油冶炼、冶金、轻 工、环保及核能等国民经济行业中多相流动现象更是普遍存在【3 1 。工业中两 相流( 尤其是气固两相流、气液两相流和液液两相流) 非常常见。石油开采中 的油水混合物是一种典型的液液两相流。 两相流检测是指采用合适的方法和手段检测两相流的流型( 又称流态， 即流体流动的形式和结构) 、分相含率( 如气液两相流中的含气率) 、总流量、 分相流量、密度等参数。其中，流型( 典型的流型有层流、环流、核心流、 多滴流，见图l - 1 所示) 、分相含率、和流量是三个最重要同时也是最难以测 量的参数。由于两相流系统各相间存在着界面效应和相对速度，两相流体流 动特性复杂多变，因此，其参数检测难度极大1 4 | 1 ”。 oo 层流环流核心流多滴流 图i - i四种典型的流型 f i g i - if o u r t y p i c a lf l o wr o g l m o $ 国内外众多研究人员为此做了大量工作，研究工作涉及各种新技术，如 放射线技术、激光多普勒技术、核磁共振技术、超声波技术、光纤技术、流 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 动层析成像技术等等1 6 1 。 1 2 2 流动层析成像技术 层析成像技术也称计算机断面成像( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，简称c n 技术或计算机辅助层析成像( c o m p u t e ra s s i s t e dt o m o g r a p h y ，简记为以n ， 是指在不损伤研究对象内部结构的条件下，利用某种探测源，根据从对象外 部设备所获得的投影数据，运用一定的数学模型和重建技术，使用计算机生 成对象内部的二维或三维图像，重现对象内部特征【”。层析成像在图像处理 学上称为图像重建，是因为它不同于图像处理学中由图像到图像的其它处理 方法，而是一种由投影数据( 在医学工程中投影数据由计算机断层扫描装置 提供) 获得图像的特殊图像处理方法。 流动层析成像( f l o wt o m o g r a p h y ) 技术也常常被称为过程层析成像 ( p r o c 圮s st o m o g r a p h y ) ，是2 0 世纪8 0 年代中后期开始正式形成和发展起来 的一种以两相流或多相流的过程参数为主要研究对象，研究其二维或三维分 布状况的在线实时检测技术。流动层析成像技术是将医学工程中已经成功实 现的c t 技术应用到两相流或多相流检测系统中，以得到流体管道截面上各 相分布的信息。 ， 尽管存在一定的困难，但与其它多相流参数检测技术和方法相比，流动 层析成像技术应用于多相流参数检测具有显著的特点和优势，体现在以下四 个方面。 1 能提供多相流混合体流动过程中局部区域瞬态微观的信息。即管道某 一截面处的多相流断层图像。基于这些信息可对多相流系统的流型进行辨 别。 2 。通过对图像的处理和分析，可得多相流混合体各分相局部浓度分 布。进一步处理可得各分相的总浓度( 分相含率) 。 3 与其它测量技术或仪表相配合可应用于多相流总质量流量、分相质 量流量以及流速的实时检测。 4 ，流动层析成像技术还具有适用范围广的优点，各种工业生产过程中 常见的多相流均能应用该技术。 近年来，经国内外众多研究人员的积极探索，流动层析成像技术发展迅 速。依据信息获取手段和传感机理的不同，流动层析成像经分类有x 射线 层析成像、t 射线层析成像、正电子发射层析成像、核磁共振成像、中子射 堕玺堡塞三奎兰三兰塑圭茎堡堡蚤 线层析成像、光学层析成像、微波层析成像，超声波层析成像、电容层析成 像、电阻层析成像、电磁感应层析成像和电荷感应层析成像等十余种。 1 2 3电容层析成像技术 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 ) 技术是上 世纪8 0 年代后期由英国曼彻斯特理工大学( u m i s d 提出的一种新型计算机 层析成像技术1 6 1 。测量原理是基于：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。因此，电容值的大小可以作为多相流浓度的变 量。采用多电极阵列式电容传感器，其各电极之问的相互组合可提供反映多 相流体浓度分布的多个电容测量值，以此为投影数据采用图像重建算法，即 可重建被测区域内多相流相介质分布状况的图像1 8 l 。 通常的e c t 系统由三个基本部分组成：传感器阵列、数据采集系统、 图像重建计算机。在管道外壁均匀对称粘贴着铜质电极板，由于多相流各分 相介质具有不同的介电常数，当管道内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，从而使极扳间的测量电容值也发 生变化。数据采集系统测量任一对极板间的电容值，获得不同观测角度下的 投影数据并送入图像重建计算机。这些测量值反映了管道内介电常数的分布 情况，采用相应的图像重建算法，就可重建被测物场的介质分布图。 图l - 2 为1 2 电极e c t 系统的组成框图。 图l - 21 2 电极电容层析成像系统的组成框图 f i g 1 - 2 c o m p o s i t i o nc h a r t o f t h e1 2 - e l e c t r o d e e c t s y s t e m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 电容层析成像技术是发展最早的过程层析成像技术之一，是随着计算机 技术和检测技术的进步发展起来的新一代过程参数检测技术。由于低廉的系 统成本( 在所有流动层析成像系统中它的成本最低) 、适用范围广、系统结构 简单、非侵入式、安全性能好等特点，是今后流动层析成像技术发展的重要 方向和研究热点之一。电容层析成像技术无疑将是流动层析成像技术发展的 主流并且是从目前而言最理想的研究方向。 1 3 国内外相关技术的发展现状 1 3 1国外发展和研究现状 从8 0 年代中期开始，在英国曼彻斯特理工大学( u m i s t ) ，m s b e c k 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 wi m a g i n g ) ”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 年进步改进为1 2 电极的电容 层析成像系统i ，i 。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( e u r o p e a nc o n c e r t e aa c t i o no np r o c e s st o m o g r a p h y ) ”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，分 别在英国、德国、葡萄牙和荷兰，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 议。1 9 9 6 年7 月，受英国政府资助“工业过程层析成像虚拟中心”成立， 该中心于1 9 9 9 年4 月主持召开了“第一届工业过程层析成像技术世界大会 ( t h ef i r s tw o r l dc o n g r e s so ni n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h ”。会议对近年过 程层析成像技术的研究进行了全方面的回顾，在地质勘探与环境方面的典型 工作是美国劳伦斯利菲摩尔实验室的“e r t 技术在美国核废料场特征鉴定 计划的作用”、西班牙学者采用e r t 技术在地质勘探中的应用：在气液两相 流测量方面，英国的l e e d s 大学w i l l i a m 教授的“e r t 技术应用于水力旋流 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 分离器的工况监控”；在流化床及风力输送物料系统的监测方面，美国的杜 邦公司的d a v i d m s c 甜和澳大利亚的c s i r o 公司的r b w h i t e 等人采用英国 过程层析成像公司p t l 2 0 0 型电容层析成像系统监测流化床的运行工况， d n c u z f e r 和a a r k o 等人运用e c t 系统对粉状物料风力输送的控制；在油 水、油气流型识别及流动参数在线检测方面，挪威比尔根大学教授 e a h a m m e r 博士等人采用e c t 技术对三相流的计量方法有所改进。之后， 2 0 0 1 年和2 0 0 3 年分别在德国和加拿大召开了第二届和第三届世界工业过程 成像会议，会议以硬件系统、图像重建算法、过程成像技术在工业过程、环 境监测等方面应用为主题展开了全球性的研讨1 9 j 。2 0 0 4 年相关检测成像会议 在波兰的l o t z 理工大学和中国的浙江大学举行i 1 0 1 “】。2 0 0 5 第四届世界工业 过程成像会议在日本a i z u 召开。由中国测试学会主办，澳门科技大学、东 南大学、上海理工大学、浙江大学、英国利兹大学、欧美克科技联合承办的 “第五届国际多相流测试技术会议( 5 t l li s m t m f ) ”于2 0 0 6 年1 2 月1 0 1 3 日 在澳门、珠海举行，第二届过程层析成像国际讨论会( i w p t - 2m a c a u ) 同期在 澳门举行“l 。 目前，过程层析成像已从实验研究开始向应用方向发展，过程层析成像 技术在两相流、多相流测试领域发挥越来越重要的作用。 1 3 2国内发展和研究现状 随着国外对过程层析成像技术理论研究的开展，我国于2 0 世纪8 0 年代 后期也开始这方面的研究。天津大学和清华大学分别开展了超声和电容p t 技术研究【”“l ，浙江大学o ”、东北大学【6 1 | ”l 、武汉大学【1 司【1 9 】、中国科学院1 2 0 l 1 2 1 和哈尔滨理工大学【2 2 j 1 等高等院校和科研单位也相继开展研究。国家自然科 学基金委员会及一些有关工业部门对过程层析成像技术研究也给予有利的支 持和资助，以促进过程层析成像技术的研究和开发，我国从1 9 8 6 年至2 0 0 2 年已连续召开8 届多相流检测技术学术会议，1 9 9 5 年至2 0 0 6 年已在国内召 开5 届国际多相流检测技术会议，迄今，已有一些研究成果发表，在e c t 系统敏感场分析、建模和仿真方面做了大量研究工作。 1 e c t 系统的图像重建算法脚1 ，国内外集中在理论和仿真研究上， 主要的方法有代数重建法( a r t ) ，同步迭代重建算法( s i r t ) ，奇异值分解方 法( s v d ) ，基于广义逆的正则化方法，n e w t o nr a p h s o n 迭代方法， l a n d w e b e r 迭代算法、卡尔曼滤波方法和预迭代方法等一系列成像算法。这 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 些算法均未能从根本上解决过程成像中重建图像所存在的问题。迭代反演算 法耗时，不能满足实时成像的要求；基于广义逆的正则化方法的重建图像过 于依赖经验参数的选取，不能保证重建图像的精度和唯一性；奇异值分解方 法存在重建图像对噪声敏感的问题；l a n d w e b e r 迭代算法在图像重建速度上 有优势，但存在半收敛问题，难以预先确定图像重建的迭代次数，它们各有 特点，但与实际应用的要求还有一段距离【2 0 ； 2 在e c t 系统微小电容测量电路和数据采集系统方面【2 7 】【2 目，微小电容 检测问题是一个多年来亟待解决的问题，特别是在工业现场应用又带来了更 多的困难。就电容层析成像系统中使用的微小电容检测电路来说，有差动充 放电、交流电容两种原理的测量电路；微小电容的测量易受噪声、杂散电容 的影响，在这方面的实验研究做得还很少。 1 4 课题来源及研究内容 电容层析成像是目前流动层析成像技术研究热点之一，它有着广泛的工 业应用前景。本课题来源于国家自然科学基金( 6 0 5 7 2 1 5 3 ) ；国家教育部重点 科技项目( 2 0 4 0 4 3 ) ；黑龙江省重点科技攻关项目( g c 0 2 a 1 2 回。 虽然电容层析成像技术的研究已经取得了很大的进展，但仍有许多困难 需要克服如：微弱电容检测、传感器和合理设计、改善系统的抗干扰性能和 与工艺装置的适配性等方面。本文以1 2 电极油水两相流电容层析成像系统 为研究对象，就微弱电容得测量、系统抗干扰能力等方面进行了研究。主要 研究内容如下： 1 深入研究了e c t 技术的特点、工作原理和系统构成： 2 通过对1 2 电极传感器极板电容值的理论仿真，根据仿真参数设计 微小电容测量电路； 3 将相敏解调原理应用到系统中，以实现对噪声信号的抑制；采用高 精度乘法器、八阶低通滤波器设计了抗噪声干扰相敏解调电路； 4 分析了耦合电容对系统的影响，建立了前项补偿消除耦合电容的理 论模型；通过硬件电路、软件实时补偿消除了耦合电容，试验证明，该方法 合理有效： 5 设计了一套简化电路结构的极板开关控制阵列，使所有极板共用一 个正弦激励信号和一路c 转换电路； 6 。分析串口实现下位机与上位机通信的可行性，有效性； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 - - _ r 9 , 日_ l = e 自_ 目 7 采用d s p 芯片为核心控制芯片，编写下位机软件，实现对数据采集 系统的控制及与上位机的串口通信： 8 编写上位机程序，实现对数据的接收与保存。 堕垒堡塞三奎茎三兰堡圭兰垒鎏圣 第2 章数据采集系统的理论研究 2 1电容层析成像的工作原理 电容层析成像技术主要以下两个问题组成： 正问题：己知管道内的介质分布s 情况，利用电磁学的原理，可得电容 传感器的不同极板对间的电容值。 逆问题：测量传感器各极板对闻的电容值，通过“正问题”中得到的分 布情况与电容值之间的关系，得到管道内部流体的分布情况。 本课题主要是对逆问题中的电容传感器极板对之间的电容值进行测量。 2 2e c t 系统的组成结构 一个e c t 系统由以下几个部分组成：一个多电极的传感器、数据采集 部分电路、控制单元，如图1 - 2 所示。 2 2 1传惑器 e c t 系统所使用的传感器是管型的，这种传感器有一系列的电极对称的 嵌在绝缘管道上。在电容层析成像系统中，为了提高重建图像的精度，常用 的方法是提高成像传感器的极板数目，以获得较多的图像重建所需的独立电 容测量值数目。 我们采用了1 2 电极的传感器，极板对 作= q = n ( 一1 ) 2 = 6 6 ( 2 1 ) 式中啭感器的极板数目 因此，需要对6 6 对极板对进行电容值的测量。 2 2 2数据采集部分电路 对电容层析成像系统而言，数据采集部分就是对传感器的极板对间的电 容的测量。传感器的极板对间的电容属于微小电容，因此微小电容的测量问 题是影响精度和重建图像质量的关键和难点。 窒至量圣三奎耋三耋堡圭耋竺耋圣 2 2 3 控制单元与成像计算机 采用计算机实现对测量系统的宏观控制，以及把采集的数据通过算法进 行图像重建。 2 3 传感器尺寸设计及仿真分析 电容传感器在e c t 系统中的作用是将传感器空间内介电常数的分布转 换成为各极板对间的电容，是系统信息的最初来源。因为传感器的极板对的 电容值直接影响测量电路的参数，所以需要初步估计传感器极扳对之间的电 容值 2 9 1 。 2 3 1 传感器尺寸设计 传感器的尺寸决定着传感器的极板对电容值，即传感器的各项结构参数 对传感器的性能有不同的影响【3 0 j 1 3 ”。从系统的观点整体综合考虑各项参数的 合理设计，同时考虑可用材料的限制，本系统的最终传感器结构参数如表 2 1 所示。 表2 - 1 电容传感器的结构参数 图2 - 1e c t 传感器结构图 f i g 2 - 1s t r u c t u r ec h a r to f e c tt r a n s d u c e r 哈尔馕理工大学工学硕士学位论文 表2 1 中各参数的含义如图2 - 1 所示：电容极板数目n = 1 2 ；测量极板 轴向长度工；管壁厚度岛一焉，管壁相对介电常数毛：屏蔽罩与管壁之间的 距离马一是；屏蔽罩与管壁之间的填充材料相对介电常数矗；极板张角口； 径向电极插入管道壁的深度矗。 传感器内介质是油水混合物，油介电常数：= 3 ；水介电常数 岛= 8 0 。 2 3 2 对传感器的电容值进行仿真 测量电路的测量范围越小，测量的精度越高。为了更准确的确定传感器 的测量范围3 9 ”，需要知道极板对电容的范围。所以，根据选定的传感器参 数，采用有限元分析原理对传感器极板电容的理论值进行仿真。 根据上文所说的传感器的参数，利用有限元仿真软件包，得到如图2 - 2 图2 3 的理论电容值： 图2 - 2 有限元理论分析空管、满管电容值 图2 - 3 空管、满管电容变化量 f i g 2 - 2e m p t y - p i p e l i n ea n df u l l p i p e l i n e f i g ，2 - 3d i f f e r e n c ec a p a c i t a n c e c a p a c i t a n c ei nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s b e t w e e r le m p t y - p i p e l i n ea n d f u l l - p i p e l i n e 表2 - 2 传感器电容值仿真值 t a b l e2 - 2s i m u l a t i o nr e s u l t so f c a p a c i t a n c e 空管电容( p f ) o 8 5 40 1 5 6 0 0 7 1o 0 4 6o 0 3 6 0 0 3 4 满管电容( p r 3 0 9 8 40 6 7 7 o 5 4 9o 4 8 3o 4 5 0 0 4 4 0 皇查壅选量i p ! ：! j q ：丝! ：! ：! ：塑： ! ：! ! ：! ：! 竖 针对上面测量电容的仿真结果，分析如下： 1 空管电容为o 0 2 p f l p f ；电容测量值的差值在o 1 p f - - - o 6 p f 之间， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 空管电容的范围大约是电容变化量的二倍； 2 1 和2 极板( 相邻极板) 间的电容值与其它电容值相比，差距较大。对 于空管电容，其它极板是相邻极板的1 、1 2 、1 4 、1 2 4 倍。对于测量电容 变化量，相邻极板是最小的，其它极板分别是它的2 倍、4 倍。 ， 2 4 交流法电容测量电路 本课题主要完成的任务是对电容传感器极板对之间的电容值进行测量。 参考上面的分析数据，设计测量电路。 2 4 1交流测量的基本原理 从电容传感器获得信号的常用方法是应用欧姆定律。将恒定电压加到传 感器上，并通过恒定电压变换成跨接在c 两端电压来测量所得电流 3 , t l l 3 5 l 。 也就是常说的交流测量方法| 3 6 1 1 3 7 1 。电容测量的原理电路图如图2 4 ： 、 图2 4 电容测量电路基本原理图 f i g 2 - 4s t r u c t u r ec h a r to fc a p a c i t a n c em e a s i l g e l x l e l l tc 自r e u i t 电容测量电路中的杂散电容主要来自两方面：即两极板与传感器屏蔽罩 问耦合电容以及极板连线对地电容c j 、c 2 ：以及极板开关的耦合电容o 。 如果不考虑上面说的杂散电容、耦合电容的影响，可以采用图2 5 电容 测量电路，在被测电容上施加恒定的交流电压，测量电流的变化，以得到电 容的变化。 令：激励信号 吃- a c o s ( w o t + q j o )( 2 2 ) 式中a 输入信号的幅度： 激励信号的角频率； 红载波信号的初相角 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 那么，电路输出的电压为： 一警1 嘶嚣器 p ， 弛s 。 式中p ，删一测量电路电压输出； 胄，一测量电路匹配电阻； c ，一匹配电容； c 被测电容 2 4 2 电路中的问题 电路中的问题主要来自两个方面，一方面来自电路中电子元件的干扰以 及电路设计的误差；另一方面提高测量电路精度。 对于杂散电容c f 、c 2 ：c j 与稳压电源直接相连，只要不随c 的变 化而变化，则c ，对测量电路无影响。o 虽然与运算放大器的输入端相连， 但由于处于虚地状态，两端无电位差，所以c 2 的存在对输出无影响。 电路中的误差来源于以下两个方面。 1 由于开关耦合电容。的影响，因为需要对不同的极板对进行测量， 需要加入极板选择开关。如果采用电子开关作极板选择，那么，根据芯片的 数据手殁可知，一般电子开关的耦合电容在8 够左右。由于藕合电容比较 复杂，在第4 章节详细讨论耦合电容的来源，并给出了一种方法解决耦合电 容影响的方法。 2 噪声信号的影响，由于测量电路中，电子元器件等都会产生噪声。 而被测电容是一种微弱信号，需要对噪声进行抑制，以提高信噪比。 除了上面所说的误差引起的问题外，对于测量系统的原理来说，还有以 下两个问题需要解决： 1 采用交流法测量电路，图2 5 所示的测量电路输出结果是一个交流 量，需要将其变换成a i d 转换所需的直流信号。 2 如果每次都是测量极板间的电容值，那么，测量的范围应在： o 0 3 4 p f - l p f ( 空管时有最小值，满管时有最大值) ，动态范围较大，对测量 系统的性能要求高。 下面针对这几个问题，逐一解决。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 5 采用相敏解调原理 为了将测量系统得到的交流信号变换成a i d 转换所需的直流信号，可 以采用有效值测量、平均值计算等方法。 本文采用相敏解调的方法，因为采用这样方法不但可以利用测量电路的 输出信号与激励信号的相关性，解调出有效信号，而且对电路噪声起到了抑 制作用。 2 5 1电容测量及交流放大电路 所以对测量电路进行一次放大。最后得到电路如图2 - 5 所示。 1 正弦信号圪作为激励电压。测量电路电压输出为： k 一警1 叫东器 j w o c 2 交流放大后电路电压输出为： 一苹l 咄辛矗南， 由公式( 2 4 ) ( 2 5 ) g n - = 等丽j w o q r , 丽瓢1 了 3 圪作为载波信号，整个测量与放大电路可以看作是一个调制器，对 被测电容e 两端的电压进行调制： 令 k = 鲁，丽j w o c , r f , 丽1 j w o c 了1 局j k c r i r ，j + 12 r r 2 + 、 = 圪k( 2 8 ) 利用调制后的圪。信号与正弦信号r 。的相关性，采用了相敏解调的方 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 法，解调出有效的信号c j 。 c n 了 图2 - 5 交流测量与放大电路 f i g 2 - 5c i r c u i to f c vc o n v e r t i n ga n da m p l i f i c a t i o n 2 5 2 相敏解调的过程 相敏解调包含以下两个过程m 3 9 1 ：将已调信号与载波信号同步的参 考电压相乘；再用低通滤波器对得到的信号滤波。如图2 - 6 所示。 输字困固一锩号 图2 - 6 相敏解调原理图 f i g 2 - 6s c h e m a t i cc h a r to f p h a s es e n s i t i v i t yd e m o d u l a t i o n 2 5 2 1 采用模拟乘法器实现相敏解调采用与激励电压具有相关性的正弦 电压信号作为同步参考电压，进行相敏解调。 那么，选择参考信号为与激励电压同频同相的电压信号，即 圪= c o s ( w o t + 伊o )( 2 9 ) 令占为激励电压经过测量系统后的相位移；a s 为激励电压经过测量系 统后产生的幅值变化倍数，那么： 圪= a a e o s ( w o t + q p o + p ) ( 2 一l o ) 解调后电压信号v 。为： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 矿。= 么。矿n = 彳，a c o s ( w o t + 纯+ 回。c o s ( k ，+ 仍) ( 2 - 1 1 ) = 1 a 爿rc o s e + 1 a 爿r c o s ( 2 w o t - 6 2 纯十回j 1 “ 2 5 2 2低通滤波通过设置滤波器的参数，选择滤波器的截止频率，滤掉 高频信号。 那么，通过滤波器后的电压矿( f ) 为： 矿) = l p f ( v 。) 11 = 三p f ( 音他c o s 护+ 鲍c o s ( 2 w o t + 2 够o + 6 ) ) ( 2 - 1 2 ) = 三弛c o s 口 式中l p f 0 一氏通滤波函数； 公式( 2 1 1 ) 中，第一项为输入信号y 乙与参考信号的差频信号，第二 项为输入信号与参考信号的和频信号。只要低通滤波器的截止频率选 择合适，就可以消除和频信号，得到直流电压( 差频信号) 。 当口= 0 时，矿( r ) 值最大，输出信号与被测电容之间的关系最简单。根 据( 2 8 ) ( 2 一l o ) 可得： 4 = k ( 2 1 3 ) 所以，取口= 0 ，公式( 2 7 ) 中的k 为实数，不会对激励信号产生相位的 影响。输出信号在经过低通滤波器后解调出直流信号，根据( 2 7 ) 求出极板间 的电容c 。 2 5 3 相敏解调对噪声的抑制 相敏解调电路抑制噪声的能力很强。一般来讲，信号与噪声是有区别 的，信号是规律的，能够重复的，可以用一个确定的时间函数来描述。噪声 是随机的，不能够重复的，不同时刻的噪声是没有关联的。因此，噪声频率 一般与被检测信号的频率不相关。 由于电子线路的干扰等原因，输入相敏解调电路中的信号含有噪声，即 在图2 - 6 中的输入信号不只有信号圪。，还存在噪声信号。 令k ( f ) 前入楣敏解调电路的电压信号； 疗( f ) 噪声信号； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 则v a t ) 可表示为： k ( f ) = + ，z ( r ) 未+ 托( r ) = k a e o s ( w o t + 纯) + 珂( f ) ( 2 1 4 ) 经过相敏解调器的输出信号为： ( f ) = v a t ) = 【k a e o s ( w o t + 妒o ) + n ( f ) 】c o s ( w o t + 伊o ) ( 2 1 5 ) ：1 a k 一1 ，a k c o s ( 2 w o t + 2 仍) 相( f ) c o s ( w o f + ) 式中的前两项在前面已讨论过，现在只对第三项进行讨论： 由于噪声信号的频率不同于被测信号的频率，故n ( t ) c o s ( w t + q ，o ) 在零 频率处为零，即不含有直流成分。 那么，通过滤波器后的电压矿( d 为： v ( t ) = 上p f ( y 0 ) ；三彳足 ( 2 - 1 6 ) 2 因此，只要低通滤波器的带宽足够窄，噪声信号就完全可以被抑制。 2 6 相敏解调下的前项补偿 因为测量电容有意义的部分是电容变化量，如前所述传感器电容值范围 比较大，如果对这个范围直接测量，对测量的电路范围要求高，不利于精度 的提高。采用前项补偿的方法，可以解决这一问题。 前项补偿解决了两个问题：耦合电容的误差、被测电容的范围过大。 在这一节中，就相敏解调条件下的前项补偿进行讨论。 2 6 1前项补偿的概念 前项补偿，指在测量电路之前进行补偿；是相对于后项补偿来说的。其 优点在于进入测量电路前，对不需要的电容进行抵消；测量电路的测量范围 减小，利于系统灵敏度的提高。 2 6 2 测量电容的分析 由于存在耦合电容等因素影响，经过测量电路、相敏解调电路、低通滤 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 波以后，置变化为： 足：堕坐! 垦鱼! 生! ! c n r n