题目：数字式电容层析成像系统研究

 

电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography，ECT）是一种用于多相流分布参数测量的可视化技术。它通过测量安装在未知容器或管道表面的电极板间的电容值并借助适当图像重建算法，可以计算出容器或管道内部的介电常数分布，进而无损、快速地获取未知容器内部的介质分布情况。ECT作为解决多相流检测问题的有效手段，有着成本低、结构简单、非侵入、无辐射、速度快、适应范围广泛等优点，具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。本文针对电容层析成像系统设计中的存在边界电容测量问题，深入研究了基于交流法的微小电容检测电路的设计方法，提出了几种实用的新型数字解调方法，并最终研制出一套高性能的数字式电容层析成像系统，将其应用在气/液和气/固两相流测量中，获得了良好效果。论文的主要工作包括以下几个方面：

1、  给出了基于交流法的数字式微小电容检测电路的设计方法，研制了一套基于FPGA的微小电容检测电路，并实验验证了该电路的良好性能。首先，指出了电容/电压变换器中反馈电阻和反馈电容值应适当选取以保证变换器具有较快的响应速度和适当的灵敏度，并给出了相应的参数选择方法；其次，提出了一种简化的直接数字频率合成方法，在减少硬件资源开销的同时消除了正弦激励信号的频率抖动，从而保证了激励信号的频谱纯度，为微小电容的高精度检测奠定了基础；之后，简述了相敏解调器的工作原理，并从频谱分析角度指出了数字解调方法的优势以及在实际应用中需要注意的问题；然后，通过数值仿真分析说明了程控增益放大器非必要性，并给出了模数转换器采样速率和分辨率的选取方法；最后，讨论了基于USB 2.0的数据通讯方式和印制电路板设计等问题。

2、  提出了三种新型数字解调方法，详细阐述了其工作原理和实现方式，并利用数值仿真和实验结果验证了其良好性能。这三种数字解调方法分别为：（1）数字整形解调方法，该方法的实现过程类似于传统的全波整流，虽然其只具备幅值解调能力，但是程序结构非常简单，硬件资源开销极小，在低端逻辑器件CPLD上即可实现，是最为适合应用到ECT系统的数字解调方法；（2）数字开关解调方法，该方法以模拟方波解调器为基础，不但能同时实现幅值和相位解调，且无需正弦参考信号和乘法运算，便于在在不具备硬件乘法器和专用存储器的数字器件上实现，不仅简化了硬件系统结构，还降低了系统成本和设计复杂度；（3）递推最小二乘解调方法，该方法以递推最小二乘法为理论基础，通过建立相应的递推解调模型，可利用最少2个采样点信息即可获得初步的解调结果，且随着代入的采样点数目的增加，解调结果有更好的抗噪声能力以及更高的精度。该方法实现了测量精度与测量速度的折中，从而从根本上提高了系统的实时性和设计的灵活性。

3、  提出了一种用于ECT多通道选择电路的双“T”型电子开关结构，分析了电子开关非理想参数对微小电容检测电路性能的影响。首先分析了传统的简单电子开关结构和常用的单“T”型电子开关结构中存在的关断电容对微小电容检测结果的不良影响；然后，提出一种能消除关断电容影响的双“T”型电子开关结构，该开关结构有助于拓展测量下限、提高测量精度；最后，通过数值仿真分析说明了电子开关的导通电阻和关断电容对电容/电压变换器的性能影响微乎其微。

4、介绍了数字式ECT系统的图像显示软件和传感器的设计方法，并通过实验验证了所开发数字式ECT系统的良好性能以及将其应用到气/液、气/固两相流测量的可行性。首先介绍了ECT数据采集和图像重建软件的设计方法，对软件的总体架构和各个模块的设计过程做了详细的说明；其次简述了几种ECT传感器的设计方法，并针对16电极方形传感器进行了系统性能测试，给出了不同图像数据采集速度下的相关性能指标；最后通过气/液、气/固两相流的实验说明了所开发的数字式ECT系统应用于实际工业工过程在线监测的可行性。