（测试计量技术及仪器专业论文）组合式电容成象传感器及交流同步数据采集系统研究.pdf

沈阳二i 业大学硕士学位论文 摘要 近十几年发展起来的过程层析成象 p t 技术谯两相澍多相流流动参数分布状况 的测量方面取得了一定的进展 有可能成为解决两相流参数枪测的有效手段 具有很大 的漤力积广翊豹工鼗瘟媛翦景 电容层析成象技术 e c t 是过程层析成象技术中首先发展起来的 它具有系统成 本繇 成象速废抉 遥惩范强广 侵入式等筑点 在p t 中缀骞优势 因魏 硬究了 r 一个交流检测组合式b c t 系统 1 在分拆了惫容传感嚣的结构特点之嚣 对传惑器结构尺寸遴行仿真诗簿 建立 新型的1 6 极板组合浮置式电容传感器 此传感器的提出使1 6 极板电容传感器的被测电 容增加 有利于信母的检测 降低了数据采集的要求 投影数据为1 0 4 个 裔币i 于提高 图象重建豹质量 2 用可编程大规模芯片i s p l s i1 0 3 2 对系统的数字电路进行了集成化设计 达到既 麓囊二逛路设诗又提凑系绞稳蠡 蛙 可靠蛙鲍爨敷 3 开发了e c t 系统实验装置 采用交流激励 软件实时补偿的方法提高了系统的 稳定性 4 数据采集系统采用锁相技术 同步检波的原理 降低了整个系统的成本 提高 了燹敏度 并使得载波信号与调帚潴号完全达到同步 p c l 8 1 2 p g 采集卡静使糟缩短了 系统的开发时间 摁高了系统的可靠性 5 采用v i s u a lb a s i c 为编程语言对数据进行处理 发送与存储 便处理的数据能够 直观的显示也来 6 利用实验测樽的数据通过线性反投影 l b p 法进行图象重建 进而验证了整个 实骏装曼懿嚣靠蛙 实理了凌线实对测量 7 最后对整个系统性能指标进行了评估 通过实验数据计算了系统的灵敏度与线 性畿 达到了颈麓懿效莱 关键词 电容层析成象 电容传感器图象重建锁相技术同步检波 塑三塑塑苎 一一 r e s e a r c ho nc o m b i n e d c a p a c i t a n c ei m a g i n g a n da c s y n c h r o n o u s d i g i t a la c q u i s i t i o ns y s t e m a b s t r a c t p r o c e s st o m o g r a p h y 猡秘t e c h n i q u e s 蒯趺h a sb e e nd e v e l o p m e n tr a p i d l yi nr e c e n t s e v e r a lt e n y e a r s h a v em a d ec e r t a i np r o g r e s s i nf i e l do fm e a s u r e m e n to ft w o p h a s e f l o w m u l t i p h a s ef l o wp l 鹫a m e t e r sd i s t r i b u t i o ns t a t u s 强m i 髫鲢b e c o m e 8m e 擞l sf o r 翻静 p h s e f l o wm e a s u r e m e n ta n dc o u l db ev d d e l y a p p l i e d i ni n d u s t r y 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 yf e c a 3i so n eo ft h et e c h n i q u e s w h i c hi s f i r s t l y d e v e l o p e d f o rp t t th a s l o w c o s t 1 1 i g h s p e e d r o b u s ta n dn o n i n 血u s i v e i th a sm o 黼 a d v a n t a g e s s o a l le c q s y s t c mo f a cm e a s u r e m e n tc o m b i n e d s t u d i e d i a f t e r a n a l y z i n g t h es t r u e a n ea n d s p e c i a l t yo f c a p a c i t a n c es e n s o r s i m d a f i n g a n d c 8 l e l d 8 蛀n gt h es e 璐o f ss i z e t h e nc o n s 牡锨a n e w s t y l ec a p a c i t a n c es e n s o rw i t h1 6e l e c t r o d e s c o m b i n e da n df l o a t e d i t sp r e s e n t a t i o ni n c r e a s e st h em e a s u r e d c a p 躺i t a n c e s a n db e n e f i t sf o rt h e m e a s u r e ds i g n a l sa n dd e c r e a s e st h e r e q u i r e m e n t o f d a t a a c q u i s i t i o 犰1 0 4p r o j e c t i o n sb e n e f i tf o r i m p r o v i n gt h e 删i 黟o f i m a g i n g r e c o n s t r u c t i o n 2 s y s t e m sd i g i 拯lc i r c u i t sa 豫抽艳簪a 嬲i n t oi s p l s l 取s y s l g mp r o g r a m m a b l el a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc h i p s 1 0 3 2s oa st os 确p l i f y 幽s i g na n dt od e v e l o pt h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y o f t h e s y s t e m 3 t h ee c t s y s t e me x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sd e v e l o p e d t h es y s t e m 撖a b i m yi s i m p r o v e d 坶u s i n g a c e x c i t e a n d s o t l c o m p e n s a t i o n i n r e a l t i m e 4 i nd a t a a e x l u i s i t i n ns y s t e m t h ea p p l i c a t i o no f p h a s e l o c k e da n ds y n c h r o n o u sd e t e c t i o n r e d u c et h ec o s to f t h ew h o l e s y s t e ma n di m p r o v e t h es e n s i t i v i t y c a r r i e rs i 辨啦a n dm o d u l a t i o n s i g n a la c h i e v ee n t i r e l ys y n c h r o n o u st o o t h eu t i l i z a t i o no fp c l 8 1 2 p ga c q u i s i t i o nc a r dh a s m a k et h e s y s t e m sd e v e l o p m e n t a l t i m el e s sa n d i m p r o v e d t h es y s t e m s r e l i a b i l i t y 5 v i s u a lb a s i cp r o g r a m m a b l el a n g u a g ei st op r o c e s s s e n d a n ds t o r et h ed a t a a n d t h e n s h o w t h e m o u t d i r e c t l y 2 鲨堕三些丕堂堡主堂篁堡壅 一 6 b y t h ee x p e r i m e n t a lr c s u l ta n dl i n e a rb a c kp r o j e c t i o n l b p a l g o r i t h m o e o n s f m c t 恤i m a g c a n d t h e nv e r i f yt h ec r e d i b i l i t yo f t h ee x p e r i m e n td e v i c e r e a l i s e d m e a s u r i n g i nd m 7 a t l 躐础a n e v a l u a t i o no nt h es y s t e m sc a p a b m t yg u i d e l i n e c a l c u l a t ei t s s e n s i t i v i t y a n d l i n e a r i t yb y t h ee x p e r i m e n t a ld a t a r e s u l t ss h o w s t h a ti th a sa c h i e v e dt h ed e m a n d k e y w o r d s e l e c t r i c a l c a p a c i t a n c et o m o g r a p h y i m a g e r e c o n s t r u c t i o np h a s e l o c k e d t e c h n o l o g y 3 c a p a c i t a n c e s e n s o r s y n c h r o n o u s d e t e c t i o n 独创性说明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 尽我所知 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的研究成果 也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 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做了明确的说明并表 示了谢意 签名 益到日期 逻i 主 垃 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公 布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论 文 保密的论文在解密后应遵循此规定 签名 查封导师签名 型 瑟 日期 渔立 立 墟 沈阳工业大学硬士学位论文 一 h 一 1 绪论 l l 过程层攒成象的发展历程 过程层耩戒象 p r o c e s st o m o g r a p h y 篾记p t 技术也常称先滚动成象 f l o w k n a g i n g 技术 怒本氆纪8 0 年代中蠡耱群始芷式澎戒和发展起来麓 是苏e t 技术务 基础的 种以两裙流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状凝的程线实辩 检测技术 过程层析成象是c t 技术与工业要求相结合的产物 它的产生和发展与科学 研究和工程实践中 对两相流浅多相流流动系统过程内部 相分布 信息获取的迫切需 求密切相关 是目前多相流检测技术研究发展的主要趋势和前沿课题之 i 州 过程层析成象技术的早期探索始予7 0 年代后期 在医学c t 技术所获巨大成功的 激励下 研究人员开始尝试将c t 技术应用于多担漉参数捻测领域 以获怒更热直戏和 熨秀l 潍确豹测攫继果 从8 0 年技中裳 开始 以英遏豹星嬲矮特大学理工学 u n i v e r s i t y o f m a n c h e s t e ri n s t i t u t eo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 简诧u m i s t m s b e c k 教授为蓠靛姘究 j 组开始了基于毫容 超声等适合于工业疵甭传惑梳理的鼷析成象技术研究 并正式提 出了流动成象这 概念以隧剐于医学c t 1 9 8 8 年 他们研制成功了8 电极电寨层析成 象系统 并于1 9 9 0 年改进成为1 2 电檄系统 其在线成象速度达4 0 帧4 眇 同时 美国 自 源部摩根城研究中心也设计了1 6 电极瓤容朦析成象系统用予流态化研究 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象 速度达3 0 帧 秒 德国k a r l s r t k h e 工 业大学以f m e s e h 教授为首豹研究小组也在 液超声层掇成象方聪取得了较大进展 这些先期璐突成果极大避鼓舞了科技工痒袭 予是不同学科领域垂冬磷究人员开始臻会在 一起积极探讨基予不因传撼祝淫静瑟橱藏象系统 并将这一多学科交叉的蘸新技术穰括 筑称为 过程成蒙 投术 避入9 0 年代 随着过程朦析成象技术的发展 令入鼓舞的研究成柒不断涌现 该 技术在工业应用中的融大潜力逐步为入们搿认识 p t 技术方面的研究也褥到了有关政 府机构的踅视和资助 例如欧共体拨款支持了 项为期4 年的 欧洲过程层析成象联合 行动 e u r o p e a nc o n c e r t e da c t i o no r ip r o c e s st o m o g r a p h y 摘记e c a p r 计划 其目 的就是 将不同学科联合起来以加快过程层析成象技术的开发和应用 美1 虱2 程熬金 淀鞠王鲎大学骧 学位论文 会落分羽予1 9 9 5 年鞠1 9 9 7 年在美国藕荷兰餮拜了 王监 j 童稔层辑藏象敖潜 f r o n t i e r i i li n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y 国际会议 凼英国政府的t e c h n i c a lf o r e s i g h tc h a l l e n g e 计划组织的三所大学也于1 9 9 6 年成立了 工业过程层析成象技术廉拟中心 t h e v i r t u a lc e n t e rf o ri n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y 与此同时 p t 技术也得到了工业界 的关注 一蝗工业企业也开始资助和积极参与p t 技术方面的研究 例如杜邦公司和斯 抡受谢公司 在我国 清华大学和天滓大学于8 0 年代朱期率先进行p t 技术的研究 其后 浙 i 王大学 东就大学 载汉大攀 澎 王工篷大学帮孛国辩学浣等篱等貔校黎科磁零位氇栩 继开展研究 已开发出几种熬于不同传感机瑕的p t 样机系统 并取得了令人鼓舞的成 栗 潜家自然科学綦众委员会及有关工监部门也给予裔希j 的资助以支持p t 技术的研究 和开发 1 2 过程层祈成象的特点 用途和构成 p t 和c t 戆数学原理摆围 即r a d o n 交换及其逆变换 但是鸯予寝象对象斡不弱 要将医学工程上已成功应用的c t 技术应用予多相流参数检测 p t 检测系统在技术上必 须解决与多糅漉凌系统特纛蠢关熬技术游蘧 獗括超来主要蠢墩下尼方蠢 1 q 1 多相流动系统是一快速动态系统 管道或裟置中流体的流动特性变化迅速 谯 菜些应靥场合甚至魑予尉烈遮动交纯状态 丽非医学c t 中栩对 静止 酶入体或其中 某一音g 分 这就要求p t 成象系统具有较医学c t 成象系统赢得多的数据采集 处理及 图象重建和强示速度 需要俊速工作的数据采集系统和简单快捷的图象重建算法 2 医学c t 的成象对象 人体或其中莱一部分 特性较易掌握 两p t 系绞的成 象对象特性复杂多变 难以对此作出可靠的预飒4 和估计 且被测物场往往是高度非线 牲 敬要求p t 系绞戆售惠获取手段 涉及钱感方法麴选择秘俦感器豹番舅裁 窝鎏蒙蒸 建算法应能适应多相流系统种类 特性和不同操作条件的多种壤求和变化 3 实际多葙流工艺装羧掰整戆工韭瑗场条侔菲鬻恶劣 客蕊上黉求p t 系统必须 能与工艺装鬣的物理 化学特性及其变化相甄配 具有抗干扰 抗腐蚀 抗磨损等特 性 4 在大多数情况下仅依据重建的原始图象是难以实现多楣流体务参数的检测和 2 沈帑工遭大学硕士学位论文 多相流工业过程状态监控的 对所获原始图象进行分平斤处理 并从图象中获取反映被测 多相流体流动状况的定量或定性特征信息是p t 系统需要具备的箧要功能 p t 技术引人注目 被视为多相流检测技术研究发展的重要方向之一 原因在于它 能够在不破坏或干扰多楣流流体流动的情况下 提供有关多相流体流经繁道或装置各楣 组分分布局部的微观的分布信息 该信息的获取为从根本上解决多期流体各粳分布等因 素慰多楣滚参数测嶷豹影响阏题提供了一条途经 健系统各参数麴臻确测量成为鼍钱 p 善技术鹣弓 入在多相流检澳l 矮域裔着广泛绡途8 9 1 提供被旗l 多稻流体各裙缀分 分布煮溉的实辩图象 可焉子流型的辨识 通过对囤馨的分析和处淫 可得到多相流 体各相组分的简部浓度分布 邋 步处理可得到各分相的总浓度 将p t 技术与相关 流速钡 量技术等相结合 可实现多相流体总质量流量 分相质量流量以及流体在管截面 上流速分布的实时测量 p t 技术可为多相流工业设备和装置的机理研究 模型研 究 优化设计和改进提供方便的手段 随着在线 实时二缎三维成象的实现 p t 技 术还可应用于两相流 多相滤流体复杂生产过程的监控 图1 1p t 成象系统 般鞫成 3 沈阳工监大学硕士学位论文 p t 成象系统的一般构成如图1 1 所示 主要由传感器系统 包括敏感部件及信号 处理电路等 图象重建 图皴分析和特征提取 p t 知识库以及实时图象显示等五大 趣分缎成 技感器系绞对波予医学c t 中媳计算枧叛鼷扫撼装置 基的是为了获取反殃多棚流 传楣分舞绩息熬测 苣数撂 投影数据 其敏感豁体是安置在管道弱围露怼管截瑟土不 同区域进行手葺摇测蘑的传感器阵列 信号处理毫路受责数据糖采集 滤波 a d 转换程 扫描控制 由于多相流动体系楚一侠速动态系统 数据采集盼采样速度必须足够快 要 保证一次完整扫描时间间隔内多相流体各相组分分布基本上无变化 图象重建 图象分析和特征提取及图象显示是用计算机实现的 其中 图象重建是 关键的一步 它是根据图象重建算法 利用扫描测量所得的数据 实现由投影重建图 象 获得反映被测多相流体各相组分分布的信息 为减少误差以提嬲重建图象的质量 一般凰象黧建算法中均包含有对原始图象莛建图象进行修正的滤波程膨 薅要指出的 是 穰慰予c t 诲多p t 铡煞电容p 罩 魄阻p t 秘超声p 蕈等 巾采翔的图象重建算 法是较为糕糙葶嚣不甚稽旃静 相应缝重建出的图象矮量瞧不嵩 这育两方面原因 1 有垫p t 技术的检鞭i 袄 耀研究和图象重建算法研究还不够充分 衡如茸前还 未找蓟能有效克服电学n 软场 特性的传感器设计方法和闺象重建算法 注 软场 这一概念是相对予射线c t 或p t 的测量场不受介质分布影响的特性而言的 所谓 软场 是指受测量介质分布影响的测量场 如电容p t 中的测量场就是 软 场 相应的射线c t 域p t 中的测量场就称为 硬场 2 p t 的实时姨要求很琏 客观上琴望图象璧建算法越筠单越快速越好 短寒精 度的墅象熏建算法往往是讨 算爨大 复杂且费对豹算法 对系统实对牲黢不摹i 嚣象分柝帮特征提取模块楚根据图象重建屡获褥藜关于多禚流备楣缌分搿部分布静 原始倍怠 透过相应的数学分析和处瑾 绘出测量所需的各种检损l 参数值 倒如空隙率 或分稻含率 流型等 反映被测流体流动特钲 的备特征量和表征被测流体各褶组分分 布状况的数字图象各像素的灰度值 p t 知识库主要是为图象重建模块与图象分析和特 征提取模块提供有关的各类模型 蹩建算法和先验知识 以适应测量过程中被测对象多 种变化和要求 知识库本身具有学习能力 并在测量过程中不断补充和完善 图象显示 4 沈阳工业大学硕士学位论文 单元是掇据给出的数字图象灰度值和所需的务检测参数值 在计算机显示屏上显示出反 映多媚流体务楣分毒的实时图象以及其他有关的测量信息 3 过獠屡橱戋象技术的磷究现状 p t 技术经过十余年的研究和发簇己取得了 醺大迸步 依据信患获取手段和传感梳 理不同 p t 经分类有x 射线层析成象 y 射线朦析成象 正电子发射层析成象 核磁 共振成象 中子射线层析成象 光学层析成象 微波层析成象 越声波层析成象 电容 层析成象 电阻 导 层析成象 电磁感应层析成象等十余种 1 其中电容和电阻屡 折成象技术飘在较大型的多棚流实验装置上成功地运行 电阻层析成象技术在环境监测 中已有戏功应用 x 射线 射线 核磁共振秽超声波磋扳戏象等从医学c t 中 移 檀 过采豹p t 技本在 j 型化秘实对性等方嚣也已取终较好进嶷 最鞭研究遘矮表赘 磊藤p t 技术懿研究己拭原来豹高等院校耪辩研极梅酶原理憾 研究过渡至8 工 监界支持和参与酌应用往醑究阶段 虽离实际应甭述有一定距离 餐己最 示出该项技术在解决多稽流参数检 预 方丽的甄大潜力和良好的工业应用前景 应雨p t 技术进行多相流参数检测可获得多相流体二维 三维的时空局部的 微观的分布信息 为解决多相流参数检测这一难题提供了一条有效途径 在不远的将来有可能形成新的一 代智能型在线测艟和检测仪表 电褰层据戒象可视为县翁最为广泛磅究的一辨过程层析成象技术 它县旨成本低 壤 速度抉 侵入性 逶弱范图广寝安全毂等优点 工业应题 蓼景广闼 叁8 0 年代 中痿耀以来黧内步 众多研究人员在有关鬯容鼷橱成象接术的各个方霞 例麴电容传感器 优纯设计 激磁方式的选择 传戆激励的理论 黼象薰建算法 特征提取手段以及实际 应用中的有关f 萄题等 均做了大邀而深入的工作 应用研究涉及化工 石油 冶金 能 源等多个领域并日取得不少令人鼓舞的成果 有望在不远的将来被应用于多相流工业生 产过程实际在线测量中 电容层析成象系统实用化的困难在于 卜 涉及微弱电容检测问题 对传感器灵 敏度 抗干扰性要求高 电容测量灼 软场 特性 即媳容测量豹灵敏度分在易受被 测多捆浚电分质分毒灼影响 闯题 被测管道几翘尺寸 警径 的限制 不可能在王 艺装置或管遴上安置很多测量电极 嬲瑟 能获褥静獭立镶l 量奄容僵个数 p 投影数据 一s 沈阳工娅大学硕士学位论文 总数 是有限的 l 4 本课题研究内容 主要搽讨媳客堪辑残象技术豹媸感攫结毒句 数攒采樊及采集速度 图象蓬建等几个 方嚣懿润鬃 主要完成以下工佟 1 在分析电容传惑器的结构特意之看 对传感器结梅尺寸送行仿真计算 建立薪型 的1 6 极板组合浮鬣式魉容传感器 1 6 极板电容传感器的投影数据为1 0 4 个 有稍予提 高图象重建的质量 2 用可编程大规模芯片i s p l s l l 0 3 2 对系统的数字电路进行集成化设计 达到既简 化电路设计又提高系统稳定性 可靠性的目的 3 开发e c t 系统实验装置 采用交流激励 软件实时补偿的方法提高了系统的稳 定性 4 数据采集系统采耀圜步检波城小了系绞误差 提鑫7 蕊予扰缝力 5 p c l 8 1 2 p g 采集卡瓣使糟缩短了系统懿开发辩阂 掇高了系统的冒靠性 6 采糟v i s u a l b a s i c 为编程语言对数据避彳亍处理 发送与存储 使处理的数籀能够 直观的显示出来 7 利用实验测得的数据通过线性反投影 l b p 法进行图象重建 进而验证实验装 置的可靠性 实现在线实时测量 8 最赋对系统性能指标进行评估 通过实验数据计算了系统的灵敏度与线性度 6 沈疆工照太学颈圭学诬论文 2 过程层析成象原理与检溯系统的方案的确定 2 1 成象溪l 量原理 电容层析戏象 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 简记为e c t 技术的测照原理 是基予 当管道中流体流动形态或成分发生变化时 引起管道内空间电介质的介电常数 发生交纯 使褥莛感器不同极叛闽的魄褰篷改变 通过捻测电路捡测出爨电极阕的电容 值 邀至图象处理机 根据已计算出的仿真敏感场 利用反投影算法 蘸建出流体层析 嚣夔分耀蚕裂m 堋 对 般n 电极阵列电容传燎器 设i 为源极檄 为检测极檄 e 为源极和检测极 之间电容 占8 岁 为管道内电介质分布溺数 0 y s e y 势为电容敏感场分布璐数 则传感器部分媳极i 润的电蜜的的关系可由 f 式表示1 1 4 c l 肛g y e g y s g y 砂 2 1 式中d 一管截面 农上式中 暑e y 楚特求爨 c l 和篷e y 嚣如y e e 髓t 其中g 可通 建微电 容测量电路测出 s g y s g y 可通过计算机仿真获得 由于管内笼空闻毫耱 域中电势分耀可蘑涌秘方程来播述 v 瞄g y 妒m k y 0 2 2 式中中o y 为电势分布函数 v 和审分莉为散度和梯度算予 测量极板i 歹n g g n n c 净1 2 嚣一1 j l 2 摊嘲 每次绘1 个缎扳热 某一正电压圪 其余极板接地 边界条件为 虬影 衄 盹y 鬣甓 眨s f 为第f 电极的空阔位置 l 为屏蔽层位蚤 k 为保护极板位置 为求出敏感场 裁要求在已知传感器分每积管遴内介毫鬻数分森静蝽溅下 求鼹传感嚣空闻走黥势分毒 及各电极对间的电容值g 这是一个正问题的解 即求解戏 2 3 求出电势分布 7 沈阳工业大学颈 学位论文 辔白 y 再出国g y 求出窀缀对静电容篷c f 盘予余敷常数若g 岁 静分奄不援嬲 式 2 3 无解析解 故采用有限元法求解 计算出管道内各节点电势后 根据高斯定理可由下式求出极极f j 间的电容c i 5 去 嚣黔y 妒 幻 蕊 稼4 式中q 是捻测电极板歹上的电穗 是以第i 号极扳为源电投对 其上的电势 k 一楚潋第 号极叛为裣溺宅校对 其上静电势 宙予检测毫极帮运藏的虚遥点楣 连 故巧2 0 检测极板电荷的求解可化为线积分形式 于是式 2 4 又可写为 2 爿等讲 等 等卅 泣s 式中d 是极扳有限元部分网络的最小长度 掰是邀极上最小单元总数 西 是邻近捡 溺极板静节杰电势 麓该节点举l 检测较板的垂誊鼹离 占怒靠近检镄l 极板簸毫介矮的 相对介电常数 由式 2 5 可求出全空电容c o 和部分填充介质电容c u 0 以及全部填充 贪质电容呓 在求出各种宅奔屡分奄下靛电容售嚣 接下来静工捧就跫由这些数撂求备极板阔电 容敏感场的分布 设整个管道横截瑟可黼分为p 个肇元 其中管道内截面静单元数为 p 7 单元1 一p 位于管道内部 警第i 号极板为源电板 第 号极扳为检测极板时 管道 内敏感场的灵敏度分布可定义为 麓 再c 砜j 4 乒 c 硼 封 青 l 2 p 2 6 式巾g 囝装示当管道痰第8 号单元凑为嵩分电常数 嚣英余擎元为低介纛常数 岛时 南极f j 闯的电容值 吒和q 分勇 是管道内所有单元的介电常数分别为岛和 q 时 电极f 间的电容值 为与第e 个单元面积有关的补偿因子 般栉电极阵列电褰传感器 其可测量的独立电容个数为撑g l v 2 为实现成 象 必须求堪所毒弹q l 弦2 个独立电容熬敏感场分露 然后根据反投影冀法求出分奄 8 沈阁工业大学硕士学位论文 一 一 一 常数分布函数s k y 作为每个单元的笤0 避似 用楣当豹灰度电平髻 表示出重建的 两栩流物质的断面分布图像 第g 号举元的灰度电平g 可表示为 g 至竞蓦 孚 恸蓑 鱼垒 箜二亟 竺 鱼 n 一1n 屯谤 f l l 封 f i 婶一n 最 翰 f lj l l 辩 铡蟊 当f 5 0 0 k h z 皆l o o p f r y l m f 2 援l j l j a c g 1 3 1 4 2 1 则式 4 1 霹簿化为 1 虼 一睾k 4 2 乙 即输出交流电压的幅度正比于c x 该电鼹中 c 0 哭与激藤信号深辑移斧联 它酶存在并不产生遥逡g 流窝运敖的瞻 流 对输出的影响可忽略 c 与运放的反拥端相连 一直处于虚地状态 它的存在也 不会对输豳产生影响 所激可抑制杂散电容盼干扰e 在实际中 c n s p f 妒5 m r a 运 放采用脚输入运算放大器l f 3 5 7 可见 圆g 艘 7 8 l e 嚣虽必了挣铡电源豹子 扰 7 路检测电路的正负电源全部采用石型滤波 选取q 5 p f 是为了避免l f 3 5 7 引起 叁激 l f 3 5 7 懿性骞 特熹霸参数妇下阑 输入失调电膳3 m v 淦发漂移5 1 t v c 偏置电流3 0 p a 增益带宽积g b 2 0 m h m 转换速率5 0 v t s 噪声1 2 n v 压 1 k h z 清耗邀滚5 m a 1 8 v 电源 差模电压 3 0 v 共模电压 1 6 v 输入阻抗1 0 2 纯 共横抑制比1 0 0 d b 电压增益1 0 6 d b 4 1 2 模式选撵电路 模式选择电路内两片4 1 6 译码器 一片3 8 译码器及数字逻辑芯片组成 其将实 勰 沈翳工业大学颡士学位论文 现1 6 辍板缀合模式及源投扳秘捡蒙l 缀教瓣选择功能 其功戆撰图翅鹜4 3 掰承 其中 的三片译码器及数字逻辑芯片已经集成 集成情况请风第五章 开关采用双向模拟开关 c 0 6 6 圈4 3 禳试选择电鼯 模式选择电路的工作原理 4 1 6 线译码器的响应输出有效电平被设计为低电平 译 码器朱被选通时所有输出端为筒电平 两片4 1 6 线译码器及1 6 个与非门组成极板组合 工作方式 8 个异或f 1 选择极叛为浮鼹方式 3 8 译码器及7 个菲门选择极叛连接检测 电路还是信号源 透过数据采集卡瓣数字鬃埝窭竞选逶译强器 1 与 2 著控翻译强瓣 1 豹 y 0 端和译码器 2 的y 2 端输如低电平 其余输出端均为高电平 此时与非门1 和3 的 一2 3 沈阳工业大学硕士学位论文 鼹输入都为低电平0 和高魄乎l 贝g 输出均为l i 源极板的选择 与篓门l 竣出为l 投掺l 缀会开关l l l 台 援叛l 和2 楣连形成 个缀合援板 与 此同时 与非门2 输出为0 因此异或门1 输出为1 使得骅或门届的模拟开关1 溺合 嚣就组台极叛 1 2 俸必源稷投 2 检测极板的选择 当译粥器 1 的y 0 游被选逶时 译碣器 2 的m 端先被这通 此时与非门3 输 出离电平 组合开关3 闭念 极板 3 4 形成组合极板 异或门2 输出离电平 网时 3 8 译码器的y 0 端被选通 由于低电平日程集成时设为有效端 此低电乎0 经过非门l 变为毫电乎后边豹开关l 闼会 与第l 鼹电容梭溯电路褪连 然后依次逡逶译鹦器 2 的y 3 端 馒实现极板 4 5 的组合 仍旧选通3 s 译码器的y o 端 组合极板 4 5 髂为检测较叛与麓2 臻检测电路稳连 袁爨译薛器 2 熬y 4 溅 毽裁怒篷 到 1 5 1 6 作为检测极板 因此完成了 1 2 作为源极板的1 3 个数据的检钡0 由 予棱板2 永远不能俸为裣瓣饭板 瓣诧共设计了7 鼹检溺电路完成稔灏电路酶并彳亍来提 高采集速度 在选择检测极板时 例如 3 4 被选为检测极板 即与非门l 3 输 出离电平 其他与非门输出全为低电平0 因此异或门3 副8 输出低电平0 因此完成 了其它极援熬浮曼骢能 在变换源极板时 即i 瞧通译码嚣 i 的y l 端 2 3 形成缎合极扳作为源极 选遴译羁嚣 2 黪y 3 蝼 溺嚣逡遽3 8 译秘器豹 溃 缀合援投 4 5 使终力检 测极板与梭测电路糨连 鼹到y 5 郾 1 6 1 组合 完成了 2 3 作为检测极扳的 1 3 个数撂瓣检溅 然后 3 4 挥为源投板 为了不重复溯量 瓷爨 1 5 1 6 豫必 检测极板 完成1 2 个数据的测量 依次炎推 宜副 1 3 1 4 作为源极板 1 5 1 6 作为检寝l 极板 使完成了一个周期1 0 4 个数据的测量 该电路通过计辣机控制最终完成电容传感器的缀合方式和对源极板与检测极叛盼选 择 实现1 6 极板缀合浮置式电容传感器系统 4 3 信号发生器的设计 信号发生器采耀高频波形发生器i v o 0 3 8 t 2 j i 煽该器件产生5 0 0 k h z 的正弦波 2 4 沈姻工业大学硕士掌健论文 信号 m 城0 3 8 工作于4 5 v 5 的电源下 只需少量的外围元件就能产生从i h z 到 2 0 m h z 懿低失奏委 客波 三羯渡 矩澎波譬黥渖售弩 1 心0 3 8 备引脚功自 描述觅袭4 1 所示 表4 lm 越国勰各弓 脚功髓 引脚名称功能 lr e f 2 5 v 带隙基准电聪输出端 2 6 9 1 l 1 8g n d域 3a o 波形选择输入t t l c m o s 兼容 4 a 1波形选撂羧入t i i j c m o s 兼容 sc o s c 外接电容端 7d a l 占空 e 调整输入辅 8f d j 频率调整输入端 l o n 用于频率控制的电流输入端 1 2p d o 摆位检波器输出 若来用煲 接地 1 3p d i 糨位探测输入端 若未用则接地 1 4s y n c t i l c m o s 兼容翅步竣凌占空跑1 1 的方渡 1 sd g n d 数字地 1 6d v 数字电滚滚 努桊s y n c 不用羹l 舔空 1 7虻 十5 v 电源电压 1 9 v o磁弦波 方波 三角波输国 2 0 驴 v 电源电匪 搔 魏表4 2 凄示 2 5 沈期工业大学谈 学位论文 袭4 2m a x 0 3 8 辕出波形选择 a oa l波形选择 任意 l 搓弦滚 o0 方波 lo 三角波 躅4 4m a x 0 3 8 工作鬯路圈 m a x 0 3 8 的工俸电路图如图4 4 所示 输出频率决定子注入如引脚的电流 c o s c 引嬲豹电容爨 对她 以及f a d j 弓 嬲的电惩 当v 自 o v 时 辕出豹纂波频搴 f 由下式给出 躜撒 喇哟鼢 4 3 其中 五严注入到f i n 引脚的电流 2 u a 到7 5 0 p a 之间 o f 接鄹c o s c 帮地之蔺的电容 2 0 p f 蚕参l o o o a 对于固定频率工作 设置知接近予l o o p a 并选择 个适巍的电容值 这个电流具 有最小的温度系数 一个接在r e e 釉甄之闼约电阻袁搿提供一个方嫒鹣产生粕躲方法 v r e f r i n 44 2 6 沈阳工业大学硕士学位论文 由于f a d j 的电流给输出频率增加了一个温度系数 在开环应用中 这个温度系数 可以通过f a d j 接1 2 k q 的电阻到地来消除 在f a d j 引脚吸收的一2 5 0ua 电流在1 2 k q 电阻上产生了一个 3 v 的电压 这个电压产生了两个结果 f a d j 引脚产生的电流保 持在线性区 但是和振荡器断开 提高了温度稳定性 振荡器频率加倍使得输出频率 加倍即 f o m h z 2 者麓 5 当设定工作频率为5 0 0 k h z 时 根据上式选择r 为1 0 k t o c f 为l n f 则1 9 脚 o u t 输出幅度 1 8 v 频率为5 0 0 k h z 的正弦波作为源极板的激励源 1 4 脚s y n c 输出 幅度为0 5 v 占空比为1 l 的的方波信号 且这两个信号是严格同步的 m a x 0 3 8 可以长时间地在工作温度范围内产生一个频率稳定的输出电压 但如果 决定频率的电阻和电容不仔细选择的话 将会降低器件的性能 根据这种要求 电路中 的电阻选用金属膜电阻 电容选用在整个温度范围内低温度系数的n p o 陶瓷电容 根 据上述选择 在电路中通过频率器观察m a x 0 3 8 的1 9 脚输出 频率显示5 0 2 6 k h z 4 4 多路开关电路 表4 3m a x 4 0 5 1 功能表 输入 i n hcba 开关通道 lll0 i i 0 0 l l l o y 0 1 llh o i 一 p i 0 2 llh o i p i t 0 3 lhl o 1 一 i 0 4 lhl o i v 0 5 lh h0 i f 0 6 lh h 0 v i 一 l 0 7 hxxx 禁止状态 由于检测电路的并行使用 而信号处理电路只有一路 因此在设计中7 路检测信号 通过单8 通道模拟开关m a x 4 0 5 1 连接 2 8 其特点为数字信号控制 当控制信号为4 至 1 8 v 时 模拟量的控制幅度可达1 8 v 峰峰值 其功能表见表4 3 由图4 5 可知 m a x 4 0 5 1 的数字控制信号及禁止端由数据采集卡的数字输出量控 2 7 沈阳工业大学硕士学位论文 制 并且与已经集成的3 8 译码器为同一控制信号 即选择检测电路的同时也选择了检 测通道 减少了对数字量位数的需要 m a x 4 0 5 1 的i 0 0 i 0 6 分别与检测电路l 7 相 连 因为只有7 路检测电路 所以i 0 7 为空闲 公共输出端o i 的信号分为两路 分别 与乘法器及箝位电路相连 朋 x 4 0 5 1 i 00v d d r o1v s s i i o2 l r i o3 i 删 r l o4 r 05 b i of i c r 0t o l z 图4 5m a x 4 0 5 1 工作电路图 4 5 箝位电路及锁相环电路 为了提高c v 变换电路的灵敏度 要求到达乘法器的调制信号和载波信号同频同 相 事实上从m a x 0 3 8 输出的两路信号 正弦波和方波信号是圉频同相的 但其中正 弦波信号经过检测器以后发生了相移 这使得到达乘法器的两路信号之间存在一个相位 差 相角的存在使得输出幅度减小 电路灵敏度降低 传感器结构变化或信号线长度 位置有大的调整时 相角会有大的变化 此时一定要重新调整相移角 使输出灵敏度最 大 2 9 采用了一种锁相环电路进行相角跟踪 但由于锁相环电路采用单电源供电 而检 测信号为双向信号 即正负 因此进行锁相之前先采用筘位电路将检测信号提高一定幅 度 使得没有负相信号 电路原理图见图4 6 由图可知 检测信号经过一个1 0 n f 的隔直电容 由于检测信号为交流信号 隔直 电容能去掉直流干扰 经过一个g 4 3 倍的反相放大 而得到一个与激励信号同相的 交流信号 此处放大的作用 c d 4 0 4 6 c m o s 锬相环中 其信号输入端设置了一个由 c m o s 反相器组成的放大器 因此该端的输入信号幅度必须大于0 4 v 才可工作 而本 电路的激励信号为峰峰值1 8 v 为确保最小信号放大后可以锁住频率必须先放大 放 大后的信号经过1 0 n f 的隔直电容 由于二极管的提升 大概6 5 v 因此负半周的信号 2 8 沈阳工业大学硕士学位论文 信号可以完全经过锁相环电路 一 图4 6 锁相环工作电路图 4 5 1 锁相环基本原理 最简单的锁相环包含了相位比较器 p c 低通滤波器 l f 和压控振荡器 v c o 三个部分p o j 将此三部分按图4 7 的方式连接就构成了基本的锁相环电路 电 路中 压控振荡器的输出 何作为相位比较器的比较输入 其输出频率的高低由低通滤 波器上建立的平均电压缴j 大小所决定 施加于相位比较器另一个输入端 外部输入 信号k 何与来自压控振荡器的信号 何比较 比较结果产生的误差电压圪渺正比于巧f j j 和v o o 个信号的相位差 经过低通滤波器后得到一个平均电压俐 这个平均电压 朝着减小v c o 输出频率和信号输入频率之差的方向变化 直到v c o 输出频率和输入 信号频率获得一致 当这种情况出现时 我们称为相位锁定于输入信号或简称锁定 当 锁相环锁定时 压控振荡器能在某一范围内自动跟踪输入信号的变化 这个范围称做锁 定范围 以2 厂 来表示 通常 锁定范围大于捕捉范围 2 f c 锁相环能搜寻和捕捉 的输入信号的频带定义为捕捉范围 低通滤波器是锁相环正常工作中不可忽视的部分 它的时间常数限制了系统跟踪输 入信号频率变化的速度 同时也限制了捕捉范围 另外 环路滤波器还能帮助防止噪声 电压干扰环路的正常工作 这是由于存储在环路滤波器上的电容能帮助很快重新捕获因 噪声尖峰或其它瞬态效应而丢失的信号 因而 在构成锁相环电路时 低通滤波器的取 值既要考虑到响应输入信号的中心频率 同时又要照顾到它的最高频率和最低频率 这 2 9 沈阳工业大学硕士学位论文 样 锁相环才能工作在最佳状态 为了不使低通滤波器过载 c i m 0 4 6 还备有压控振荡 器输入电压的源极跟随器输出 端1 0 这一输出常用作为调频信号的解调 如果使 用这个功能端时 大于或等于l o kq 的电阻b 应接地 如果不使用这个端 应保持开 路 v 输入 图4 7 锁相环的电原理框图 4 5 2c d 4 0 4 6 的工作原理及参数设计 图4 8 示出了c d 4 0 4 6 c m o s 锁相环的电路图 它的内部除了三个基本环节之 外 还包括二个附加部分 即输入信号源极跟随器和稳压管 电路的特点是包括了两个 鉴相器 即相位比较器 鉴相器1 是个异或门 它具有高噪声容限的优点 但它又能 锁定在压控振荡器的谐波上 从而限制了它的应用范围 同时 当使用鉴相器1 时 要 求输入信号的占空比为5 0 这样才能得到最大锁定范围 当信号输入端无信号或噪声 时 相位比较器1 在低通滤波器上的平均电压为肋p r d d 从而引起压控振荡器在中心频 率矗处振荡 对于相位比较器1 锁相环能获得锁定的频率范围 捕捉范围 取决于低 通滤波器的特性 可表示为 z 正 砉j 等 a 相位比较器l 的另一特性是输入信号和比较器输入间的相位角能在0 1 8 0 之间变 化 鉴相器2 它相对于鉴相器l 具有比较复杂的结构 它是由受逻辑门所控制的四个 边沿触发器和三态输出电路组成 这种鉴相器不象鉴相器1 那样能锁定在谐波上 但是 3 0 沈阳工业大学硕士学位论文 它的噪声容限却不象艇相器1 翌 样高 这是由于鉴相器2 受沿酗触发的缘故 然而鉴相 器2 还其有弱纤一些优点 鲡激大锁定范围与输入信号波形的占空 e 无关 以及使用篓 扭器2 对环路捕捉范豳与低通滤波器的r c 时间常数宠关 一般可以达至4 锁定范里等予 捕捉范围 即2 兀 2 厶 因此电路中使用鉴相器2 1 1 6 2 1 5 c b 嚣 5 4 0 4 6 1 2 8 l i 71 0 8 9