工学硕士学位论文哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院.docx
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工学硕士学位论文哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院
工程硕士学位论文
一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计
刘德华
哈尔滨理工大学
2012年6月
国内图书分类号：
TP316.2
工程硕士学位论文
一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计
硕士研究生：
刘德华
导师：
李兰
副导师：
刘华
申请学位级别：
工程硕士
工程领域：
计算机技术
所在单位：
潍坊工商职业学院
答辩日期：
2012年6月
授予学位单位：
哈尔滨理工大学
ClassifiedIndex：
TP316.2
DissertationfortheMasterDegreeinEngineering
ResearchandDesignofaNewElectricalCapacitanceTomographyDetectorSystem
Candidate：
LiuDehua
Supervisor：
LiLan
ViceSupervisor：
LiuHua
AcademicDegreeAppliedfor：
MasterofEngineering
Specialty：
ComputerTechnology
DateofOralExamination：
June,2012
University：
HarbinUniversityofScienceandTechnology
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《一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计》，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的成果。
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：
日期：
年月日
哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书
《一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。
本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。
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，在年解密后适用授权书。
不保密√。
（请在以上相应方框内打√）
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计
摘要
电容层析成像技术（ECT）是一项基于电容敏感原理的过程层析成像技术。
关键词 电容层析成像；现场可编程门阵列；数据采集系统；三电极激励
目 录
摘要I
第1章绪论1
1.1课题研究的背景和意义1
1.2电容层析成像技术的研究现状与展望2
1.2.1国外研究现状与应用2
1.2.2国内研究现状与应用4
1.2.3发展展望5
1.3课题的来源及研究内容6
1.3.1课题来源6
1.3.2课题的主要研究内容6
第2章相关技术概述8
2.1电容层析成像技术的原理与组成8
2.1.1电容传感器系统9
2.1.2数据测量与采集系统11
2.1.3成像系统11
2.2现场可编程门阵列12
2.2.1FPGA工作原理12
2.2.2FPGA的基本结构13
2.2.3FPGA开发流程16
2.3本章小结18
第3章ECT系统多电极激励方法分析与研究19
3.1引言19
3.2电容层析成像技术微电容测量原理19
3.3ECT三电极激励方法研究22
3.4不同电极激励方式的灵敏场仿真与分析24
3.4.1单电极激励下的仿真计算25
3.4.2三电极激励下的仿真计算26
3.4.3不同电极激励方式下的仿真计算27
3.5本章小结28
第4章基于FPGA的ECT探测器系统研究与设计29
4.1ECT探测器系统总体概述29
4.2影响ECT探测器系统实时性因素30
4.2.1交流电容/电压（C/V）转换电路31
4.2.2相敏解调电路32
4.2.3ECT测量系统各环节所用时间33
4.3基于FPGA的改进型数据测量与采集系统34
4.3.1基于FPGA的信号发生器设计35
4.3.2传感器极板控制电路设计37
4.3.3数字解调电路设计40
4.4ECT探测器系统整体设计43
4.5本章小结44
第5章仿真及实验结果分析46
5.1基于三电极激励双电极检测的C/V转换电路线性度实验46
5.2静态电容测量实验48
5.3基于FPGA数字解调系统性能分析50
5.4本章小结52
结论53
参考文献55
致谢61
个人简历62
第1章绪论
1.1 课题研究的背景和意义
电容层析成像技术（ElectricalCapacitanceTomography，ECT）是借鉴于医用CT发展而来，一项基于电容敏感原理的过程成像技术。
综上所述，研究新型的ECT探测器系统，优化数据检测与采集电路，对于提高图像重建精度具有深远的意义。
…。
1.2 电容层析成像技术的研究现状与展望
1.2.1 国外研究现状与应用
上世纪80年代末英国曼彻斯特大学提出电容层析成像技术（ECT），这是一种新的计算机层析成像技术[1]，流动层析成像技术以该技术为重要方向和研究热点，近几年来国内外的研究人员就ECT的应用以及应用过程中出现的情况进行一系列的分析，对其做了大量的科研工作，电容层析成像技术的研究已经取得了相当丰硕的成果，理论研究和实验研究及应用已经在相关领域全面展开[2]。
…。
1.2.2 国内研究现状与应用
目前在我国，华北电力大学刘石教授在含能量材料浇注过程成像、脉动热管成像识别和换热特性[40,41]、循环床两相流固体浓度场测量的研究均将ECT技术融入进去；天津大学王化祥教授进行了ECT和ERT相结合的双模态的成像研究的工作[42]；东北大学邵富群教授在进行粮仓湿度的测量研究中采用ECT技术[43]；广西大学赵进创教授进行煮糖罐糖膏浓度测量的时研究采用电容电阻方法，浙江大学的李海青、黄志尧教授根据外国成功经验采用ECT技术进行油气的测量研究并有一定的创新[44，45]。
东北大学邵富群教授在进行粮仓湿度的测量研究中采用ECT技术[42]250-300；广西大学赵进创教授进行煮糖罐糖膏浓度测量的时研究采用电容电阻方法，浙江大学的李海青、黄志尧教授根据外国成功经验采用ECT技术进行油气的测量研究并有一定的创新。
…。
1.3 课题的来源及研究内容
1.3.1 课题来源
本课题受国家自然科学基金等项目资助。
1.3.2 课题的主要研究内容
电容层析成像技术以其生产价格低廉、整体结构简单、工作安全性能高等优点被人们广泛采用，但它毕竟还是一门新兴的技术，从技术层面角度看还有很多方面要进行完善和发展。
本课题以16电极电容层析成像系统为研究对象，就ECT电容传感器的电极激励方式、数据测量与采集系统进行深入研究。
本论文研究内容主要有以下几个方面组成。
1．对已有的ECT系统进行分析与研究对现有的ECT技术的系统构成和工作原理及其特点和不足进行深入研究，为以后的研究做好准备。
2．对ECT系统电极激励方法进行研究由于ECT探测器系统的图像重建是以有限量的数据重…。
3．基于FPGA的ECT数据采集系统设计ECT探测器中的数据采集系统将以现场可编程门阵列（FPGA）为核心…。
4．研究一种新型的ECT探测器系统新型的ECT探测器系统在充分地考虑工业具体应用中的被测容器…。
5．验证和总结在本系统设计完成…。
第2章相关技术概述
2.1 电容层析成像技术的原理与组成
电容层析成像技术的工作原理是根据被测容器内的混合物中每一项的相对介电常数均不相同的情况，当混合物中的一项介质的分布或者浓度产生变化时，这将使混合物的相对介电常数发生了变化，由此一来将使在被测容器外部测量电极对所测得的电容数据产生一定的变化。
图2-1为电容层析成像系统结构示意图。
由图可知ECT系统主要由阵列式电容传感器，数据采集系统和成像计算机三个部分构成。
ECT探测器系统首先用电容传感器测量被测容器的电容值，然后将数据传送至数据采集系统，数据采集系统对传送过来的投影数据进行转换、放大、解调与滤波，之后通过通信接口传送给成像的PC机，成像的PC机采用相适应的图像重建算法进行图像的重建并将其显示。
图2-1电容层析成像系统构成图
2.1.1 电容传感器系统
多电极电容传感器是指在绝缘容器或者管道外侧均匀的安装一组电极极板。
从ECT技术诞生到现在，多电极电容传感器的结构也是在不断的改进，到现在已经研制出多种传感器结构[47]。
因为每个工业现场的实际应用情况不同，测量的混合流体构成也不尽相同，所以研究人员根据此情况将ECT电容传感器按布置方式划分了四种结构。
这四种布置方式都有自己的优点与此同时也存在一定的不足，具体运用哪一种布置方式的电容传感器要依据具体的试验环境，应用的条件，所测的流体流行来进行合理选择。
如表2-1所示，为不同布置方式的电容传感器的特点、不足以及适宜的应用场合。
表2-1不同结构ECT传感器的特点
结构形式
优点
不足
应用场合
外置有隔离电极
零点电容较小；与被测物质无接触
受管壁电容影响；制作困难
流化床分析；管道中石油的测量；水锤监控
内置无隔离电极
灵敏度较高；便于制作
电极极易积累静电荷；与被测物质接触
流化床分析；火焰探测；油/气/水测量
外置无隔离电极
结构简单；成本低；便于制作；与被测物质无接触
受管壁电容影响；零点电容比较大
喷临床监控；气力的运输
内置有隔离电极
零点电容较小；不受管壁电容影响；灵敏度较高
电极极易积累静电荷；制作困难；与被测物质接触
火焰探测
2.1.2 数据测量与采集系统
数据测量与采集系统是ECT探测器系统的重要组成部分在设计数据测量与采集系统时主要要考虑以下几个方面的因素：
1．应当拥有一个比较大的动态检测电容范围与此同时线性度一定要好；
2．应当具有比较较强的对杂散电容抑制的能力；
3．要具有高效的、彻底的滤除系统固有的电容值和耦合电容值的系统；
4．ECT数据采集系统整体要具有快速性、实时性的特性。
…。
2.2 现场可编程门阵列
可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）是一门新兴的科学技术，它起源于20世纪70年代…。
2.2.1 FPGA工作原理
FPGA在工作时其片内的RAM是要被编程的，研发人员可以根据具体工作环境的配置模式来采用不一样的编程方式。
在对FPGA进行操作时有以下四种配置模式可供选择。
1．并行模式该模式是运用并行的PROM、Flash来配置FPGA；
2．串行模式这个模式是用串行的PROM来配置FPGA；
3．主从模式此模式是用一片PROM来配置多片的FPGA；
4．外设模式将FPGA作为微处理器的外设然后由微处理器对其进行编程。
2.2.2 FPGA的基本结构
…。
2.3 本章小结
本章对电容层析成像（ECT）技术和现场可编程门阵列（FPGA）技术分别进行了极为细致的阐述…。
第3章ECT系统多电极激励方法分析与研究
3.1 引言
由于ECT图像的重建是以有限数量的检测数据来求解的问题，因此在电容测量时即使出现一个很微小的误差也会对图像重建造成很大麻烦。
…
3.2 电容层析成像技术微电容测量原理
ECT探测器中的多电极电容传感器的构成是在传感器绝缘管壁外侧的圆周固定安放着紫铜薄片作为电极…。
依据电磁场的相关理论知识可知，可用下面的麦克斯韦方程对任意的电磁场进行表示：
（3-1）
式3-1中：
为电位移；
为电荷密度。
针对同一样的介质，电场和磁场之间的各个物理量之间还有以下的关系：
（3-2）
（3-3）
在式3-2、3-3中：
表示相对介电常数、
表示电位、
表示电场强度。
…
3.3 不同电极激励方式的灵敏场仿真与分析
参照以往的ECT仿真实验情况，本实验也采用
的实验分析方法，选用
作为实验的仿真平台对着两种不同的电极激励方式进行仿真实验。
…。
3.3.1 单电极激励下的仿真计算
在理想化的条件下二项介质混合物沿传感器轴向是均衡的，本实验在
系统仿真实验平台进行工作，将相关数据输入到仿真系统中计算。
首先在理想化的空场条件下进行实验，如图3-3、3-4，图中展示的是，在单电极激励条件下1-2电极对和1-9电极对测得的电场强度值和电位值。
在两幅图中左边的是电场强度值，右边的是电位值。
…
3.3.2 三电极激励下的仿真计算
在三电极激励二电极检测的方式下，在实验平台上，还是在理想化的空场条件下进行实验，将相关数据输入到系统里。
…
3.3.3 不同电极激励方式下的仿真计算
…
在具体做本实验时，将
引入进来来评价灵敏
匀性，如公式：
（3-19）
最后，将
软件计算出来的数据输入到
实验平台进行数据计算。
由公式（3-19）可以知道，
这个值的绝对值越小的话ECT电容传感器电极对之间的
越是均匀。
表（3-1）、（3-2）为
软件计算出来的结果。
从这两个表可以看出来，
与
计算的结果相比较，灵敏场的分布要更加均匀。
灵敏度的最高值由原来的81.0076降低到目前的35.8702，灵敏度的最低值由原来的-3.5096升至目前的-2.4110，
的最
由原来的84.5982降低到目前的38.2816。
根据以上所得到的数据进行比较，在具体应用时，采用
的方法可使系统检测精度更准确一些。
…
…
表3-1单电极激励灵敏场评价指标值
Table3-1Evaluationindexvalueofsensitivityundersingleincentiveelectrode
参数
Max
Min
μ
电极对1-2
81.0076
-3.5906
84.5982
电极对1-3
6.7420
-1.5069
8.2489
续表（3-1）
电极对1-4
6.7420
-1.5069
8.2489
电极对1-5
6.7420
-1.5069
8.2489
3.4 本章小结
ECT技术图像重建利用测量出来的电容值远远小于被测图像的像素数目，逆向问题的求解是典型的…。
第4章基于FPGA的ECT探测器系统研究与设计
4.1 ECT探测器系统总体概述
现阶段…。
4.2 影响ECT探测器系统实时性因素
现阶段ECT探测器主要采用的微小电容测量电路按照检测原理来分类主要分为四种…。
4.2.1 交流电容/电压（C/V）转换电路
ECT探测器系统的交流C/V转换电路运用电压进行激励，电流进行测量的方法，…。
4.2.2 相敏解调电路
在ECT探测器系统中，…。
4.3 基于FPGA的改进型数据测量与采集系统
从上一节分析的内容可以知道，…。
4.4 ECT探测器系统整体设计
在进行ECT探测器的设计时，…。
4.5 本章小结
本章针对采用模拟解调与滤波…。
第5章仿真及实验结果分析
在前面的章节里，详细地分析了ECT和FPGA的组成和工作原理，…。
5.1 基于三电极激励双电极检测的C/V转换电路线性度实验
所谓C/V转换电路线性度就是指电路输入的电容值与输出的电压值之间的实际关系曲线与理想化的直线之间的偏离程度，…。
结果如表5-1所示。
表5-1实验测量电容值
电容值（pF）
理论电压值（V）
对应测量输出电压（V）
第一次
第二次
第三次
第四次
0.5
0.25
0.2503
0.2501
0.2509
0.2499
1
0.5
0.5008
0.5006
0.5001
0.5003
2
1
1.0002
1.0001
0.9993
1.0008
3
1.5
1.5002
1.5001
1.5007
1.5001
5
0.625
0.6255
0.6248
0.6251
0.6249
6
0.75
0.7507
0.7498
0.7501
0.7506
8
1
1.0001
1.0003
1.0009
0.9997
10
1.25
1.2503
1.2505
1.2499
1.2506
12
1.5
1.4996
1.5002
1.5001
1.5007
…。
5.2 静态电容测量实验
电容传感器结构参数主要包括
、…。
5.3 基于FPGA数字解调系统性能分析
基于FPGA的ECT数据采集系统是将经过C/V转换电路的模拟电压值直接数字化，…。
5.4 本章小结
本章对基于FPGA的ECT探测器进行了总体分析，…。
结论
电容层析成像技术（ECT）从上个世纪80年代发展至今，…。
参考文献
[1]于晓洋，徐巧玉，陈德运，等．电容层析成像系统中电容传感器参数优化设计[J]．测试技术学报，2004，18（3）：
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11-18.
[6]邵晓寅．电容层析成像技术在气液两相流检测中的应用研究[D]．杭州：
浙江大学博士论文，2003：
20-28.
…
致谢
个人简历
刘德华，男，1980年生
2001．9—2004．12，吉林大学计算机应用专业，大学本科
2005．1—今，黑龙江科技学院利民校区，教师
2007．5—2010．5，哈尔滨理工大学计算机应用专业攻读硕士学位。
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