電容層析成像技術(shù)測(cè)量電路的設(shè)計(jì)【開題報(bào)告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　電容層析成像技術(shù)測(cè)量電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　選題的背景、意義</b></p><p>　　過程成像(PT:Process Tomogra

2、phy)技術(shù)是近年來才發(fā)展起來的一種兩相或多相流測(cè)量技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)是利用被測(cè)物體外部的檢測(cè)信息,獲得被測(cè)物體內(nèi)部變化∕高速流狀態(tài)。過程成像經(jīng)常使用特殊方法設(shè)計(jì)的探測(cè)器,通過非侵入式的方法取得被測(cè)兩相流或多相流介質(zhì)的場(chǎng)(如電磁場(chǎng))信息,可以根據(jù)場(chǎng)的信息和被測(cè)物體的作用原理,應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法重建兩相流或多相流在管道內(nèi)或反應(yīng)裝置的內(nèi)部的橫截面上的動(dòng)態(tài)分布的情況。在我們?nèi)粘Ｉ钪校^程成像可用于研究化工、石油等各種固體、氣體的物料輸送管道中的氣或固

3、兩相流和氣或固或液多相流得流態(tài)化、反應(yīng)、擴(kuò)散以及混合等動(dòng)態(tài)過程,以監(jiān)控反應(yīng)器中氣泡的分布和大小以及反應(yīng)器中氣泡的破碎和合并等過程；通過工業(yè)過程中的建立的模型,研究反應(yīng)器中反應(yīng)速率、質(zhì)量傳遞以及熱量傳遞的關(guān)系,提高反應(yīng)器的選擇性、轉(zhuǎn)化率以及安全性等[1]。</p><p>　　電容層析成像技術(shù)（ECT）是醫(yī)學(xué)CT技術(shù)在工業(yè)流動(dòng)過程上的改革與發(fā)展，是目前用來解決多相流參數(shù)測(cè)量難度大的最新手段。ECT(Electric

4、al Capacitance Tomography)是在應(yīng)用于多相流參數(shù)檢測(cè)的一種新型技術(shù),原理是依靠檢測(cè)非導(dǎo)電物場(chǎng)內(nèi)介質(zhì)分布變化引起的電容值的變化,通過某種圖像重建算法來反演物場(chǎng)內(nèi)的介質(zhì)分布,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相流參數(shù)的測(cè)量。工業(yè)過程成像技術(shù)中，電容的成像技術(shù)（Electrical Capacitance Tomography,簡稱ECT）以它廉價(jià)、高速和非輻射等特點(diǎn)，在近十幾年來獲得很大發(fā)展[2]。</p><p>

5、;　　其實(shí)，早在二十世紀(jì)八十年代中期，以英國曼徹斯特理工大學(xué)Beck M S教授為首的研究小組就已經(jīng)提出了“流動(dòng)成像”（Flow Imaging）得概念，并研制成功了8電極的電容成像系統(tǒng)。在國外，美國能源部Morgantown研究中心幾乎與Beck的研究小組同時(shí)發(fā)明出了一種在線監(jiān)測(cè)流化床中空隙率分布的16電極電容的成像系統(tǒng)（Capacitance Imaging System,簡稱CIT），該系統(tǒng)可用于對(duì)流化床內(nèi)物料密度三維分布地監(jiān)測(cè)。

6、電容成像的技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)上的多種需要進(jìn)行多相流監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合，比如，氣∕固、氣∕液、火焰等監(jiān)測(cè)[3]。</p><p>　　但目前ECT系統(tǒng)的測(cè)量精度、重建圖像質(zhì)量、速度還不盡人意。為滿足電容層析成像系統(tǒng)對(duì)電容測(cè)量的相當(dāng)苛刻的要求，用來對(duì)電容進(jìn)行測(cè)量的電容/電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)成為難點(diǎn)[3]。本文具體分析了電容測(cè)量的問題，在研究多種電容測(cè)量電路的基礎(chǔ)上，提出了較高精度的電容/電壓轉(zhuǎn)換電路。</p><

7、p>　　相關(guān)研究的最新成果及動(dòng)態(tài) </p><p>　　為了提高層析成像的成像系統(tǒng)的臨時(shí)性、測(cè)量準(zhǔn)確度和圖像的品質(zhì),多機(jī)理、多模型的層析成像技術(shù)將是未來發(fā)展的一大主流,也就是對(duì)同一系統(tǒng)采用兩種或兩種以上的成像技術(shù)對(duì)其進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè),通過增添信息量以擴(kuò)展系統(tǒng)的適用范圍和測(cè)量準(zhǔn)確度。在國外，英國大學(xué)已初步建立起了ECT、ERT和超聲成像多模態(tài)測(cè)量裝備,同時(shí)開展多相流的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。而在國內(nèi)方面,天津大學(xué)開展起了“E

8、CT/ERT電阻抗雙模態(tài)層析成像”的研究,并取得了一定的成果[4]。</p><p>　　ECT系統(tǒng)用電容測(cè)量電路的研究已取得重要進(jìn)展。有兩類能抑制雜散電容的電容測(cè)量電路最為常用：一類是直流充放電電容測(cè)量電路；另一類是交流法電容測(cè)量電路.直流充放電電容測(cè)量電路典型分辨率是0.3fF。它的優(yōu)點(diǎn)是抗雜散電容、電路簡單、成本低。它的缺點(diǎn)主要是采用直流放大有漂移以及cmos開關(guān)的電荷注入效應(yīng)影響了充電放電C-V電路的性能

9、,使得電路的抗雜散性能下降。交流法電容測(cè)量電路被公認(rèn)最好的一種。因?yàn)樗朔酥绷鳑_/放電型所固有的缺點(diǎn),比如受注入電荷影響、直流漂移,靈敏度較低等?？梢种齐s散電容,低漂移、高信噪比[5]。 </p><p>　　由于電容成像系統(tǒng)電容傳感器不同極板組合之間的電容值通常在1.0pF以下，屬于微電容測(cè)量范圍，因此要求測(cè)量電路具有以下幾方面得特性[6]：</p><p>　　（1）首先要求抗分布電

10、容能力。電容傳感器各電極和屏蔽罩之間以及用于連接電極和測(cè)量電路的同軸電纜與“地”之間均存在分布電容，他的量值通常在幾十到上百pF，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于了被測(cè)電容值，因此為了準(zhǔn)確測(cè)出被測(cè)電容值，測(cè)量電路必須具有克服分布電容影響的能力。</p><p>　?。?）然后也要求做到大量程及高靈敏度。電容傳感器任意兩個(gè)極板組合構(gòu)成一個(gè)兩端子的電容，并且相鄰極板之間和相對(duì)極板之間的電容值相差較大，在相鄰極板之間最大電容的變化值可達(dá)上百p

11、F，但相對(duì)極板間最大電容變化值只有幾pF，因此測(cè)量電路應(yīng)具有高靈敏度及較大量程。</p><p>　?。?）同時(shí)要有低漂移和高信噪比。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往具有較強(qiáng)環(huán)境噪聲，因此要求測(cè)量電路具有較低的漂移和較高信噪比，使整個(gè)系統(tǒng)具有好的穩(wěn)定性。</p><p>　?。?）最后要有電容層析成像系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象通常為快速變化的工業(yè)過程，為保證實(shí)時(shí)性，測(cè)量電路必須具有較快的響應(yīng)速度。</p>

12、<p>　　目前的電容成像微電容測(cè)量的方法包括其充放電法、有源差分法、交流法等等。其中充放電法和有源差分法電路結(jié)構(gòu)較簡單，但電路穩(wěn)定性不好，信噪比也較低；交流激勵(lì)方法由于信噪比和穩(wěn)定性都較高，目前在電容成像中應(yīng)用較多[7]。</p><p>　　由于過程成像技術(shù)的非侵入式的動(dòng)態(tài)檢測(cè)特點(diǎn)和潛在的應(yīng)用前景,在國外，歐洲過程成像研究小組開始從1992年起每年召開一次題為ECAPT(the European C

13、oncertedAction on Process Tomography)地會(huì)議,其目的在交流最新研究成果,探討過程層析成像技術(shù)的發(fā)展方向[8]。過程成像的技術(shù)研究,旨在研發(fā)新一代智能化實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),將工業(yè)過程動(dòng)態(tài)信息與流體動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合,建立更加符合實(shí)際工藝的過程模型,更進(jìn)一步得優(yōu)化工業(yè)過程結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì),以改進(jìn)工藝的過程和提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性[9]。 </p><p>　　3、課題的研究內(nèi)容及擬采取的研

14、究方法（技術(shù)路線）、研究難點(diǎn)及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p><p><b>　?。?）研究內(nèi)容</b></p><p>　　1、對(duì) ECT系統(tǒng)的基本構(gòu)成、發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的一些問題進(jìn)行了解，分析 其工作原理；</p><p>　　2、發(fā)現(xiàn)電容測(cè)量中存在的主要問題，研制出高精度的電容電壓轉(zhuǎn)換電路，分析其電路的抗雜散電容的效果，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上優(yōu)化電路

15、；</p><p>　　3、設(shè)計(jì)ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件控制電路，并對(duì)其中的主要部分的組成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；</p><p>　　4、對(duì)ECT系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)特性、靈敏度和線性的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。</p><p><b>　　（2）研究方法</b></p><p>　　電容層析成像(Electrical Capacita

16、nce Tomo2graphy,ECT)的技術(shù)的基本原理是:位于管道內(nèi)部的兩相流,其各相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù),兩相流在流動(dòng)時(shí),各相其含量和其分布不斷變化,引起兩相流體復(fù)合介電常數(shù)的變化,電容傳感器將獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)反映出整個(gè)管道截面上介電常數(shù)的分布情況,這些數(shù)據(jù)被反應(yīng)到計(jì)算機(jī)，并且通過某種圖像重建算法,可以得到被測(cè)對(duì)象在該管道截面上的分布的圖像[10]</p><p>　　屏蔽罩

17、 測(cè)量數(shù)據(jù) </p><p>　　電極 </p><p>　　絕緣管道 控制信號(hào)</p><p><b>　　徑向

18、電極</b></p><p>　　ECT傳感器 </p><p><b>　　ECT系統(tǒng)框圖 </b></p><p>　　圖像1是電容成像系統(tǒng)的一個(gè)示意圖，他是一個(gè)典型的電容成像系統(tǒng)它包括電容傳感器陣列、測(cè)量及數(shù)據(jù)采集電路、成像計(jì)算機(jī)三大部分。他的基本原理是在流體流

19、動(dòng)的管道沿管道外部均勻地粘貼一些電容極板，使任意兩個(gè)極板均可組成一個(gè)兩端子得電容。管道內(nèi)兩相流動(dòng)介質(zhì)的不同相分布會(huì)引起電容極板間介電常數(shù)變化，從而實(shí)現(xiàn)改變電容值的大小[11]。事實(shí)上，各對(duì)極板間的電容值包含了與分布有關(guān)的信息，并且，通過測(cè)量不同極板組合間的電容值并將送入計(jì)算機(jī)按一定的算法進(jìn)行圖像重建，就能夠得到管道截面上的相分布的圖像。本文只對(duì)電容傳感器陣列、測(cè)量及數(shù)據(jù)采集電路兩部分進(jìn)行研究[12]。</p><p&

20、gt;<b>　　1、電容傳感器陣列</b></p><p>　　以典型的8電極電容傳感器層析成像系統(tǒng)為研究對(duì)象，傳感器主要是由絕緣管道、檢測(cè)電極和屏蔽電極三部分構(gòu)成。絕緣管道一般采用陶瓷管，檢測(cè)電極一般由銅箔構(gòu)成。屏蔽電極主要由屏蔽罩和徑向電極組成，屏蔽罩一方面可抑制外界電場(chǎng)的干擾，另一方面可防止屏蔽罩之外空間的物質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化影響量電容值[13]。</p><p

21、>　　徑向屏蔽極板 絕緣管道壁</p><p>　　3 2 </p><p>　　4 1 </p><p>　　R1 R2</p><p><b>　　

22、R3</b></p><p>　　5 8</p><p>　　電容極板 6 7</p><p>　　絕緣填充材料 外屏蔽罩 </p><p><b>　　傳感器截面圖</b

23、></p><p><b>　　2、 數(shù)據(jù)采集電路</b></p><p>　　電容層析成像的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括多通道的數(shù)據(jù)采集控制，電容/電壓（C/V）轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換及通訊接口等。其中電容/電壓(C/V)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵也是最困難的。用于成像的數(shù)據(jù)就是由該系統(tǒng)采集并傳輸給計(jì)算機(jī)的，成像的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[14]。</p&

24、gt;<p><b>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</b></p><p><b>　?。?）研究難點(diǎn)</b></p><p>　　ECT技術(shù)以其具有的非侵入、結(jié)構(gòu)簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn),只要求各相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù),都可以應(yīng)用到該技術(shù)。但是目前狀況下仍存在著以下的主要問題[15]:</p><p>　　首先，微小電容檢

25、測(cè)靈敏度及抗干擾性要求高；</p><p>　　其次，電容測(cè)量的“軟場(chǎng)”問題,即敏感場(chǎng)分布受被測(cè)介質(zhì)分布的影響；</p><p>　　再次，在管壁上安置極板的數(shù)量受極板面積的限制,從而使得到的獨(dú)立電容的測(cè)量數(shù)據(jù)(即投影數(shù)據(jù))有限。</p><p>　　一般在一個(gè)ECT系統(tǒng)中，主要還有以下3個(gè)方面的雜散電容[16]。</p><p>　　1、用

26、于極板陣列控制電路的CMOS開關(guān)的耦合電容；</p><p>　　2、電容極板和電容測(cè)量電路之間的連線電容；</p><p>　　3、極板和接地屏蔽之間的電容；</p><p>　　以上3個(gè)方面加起來的雜散電容大于需被測(cè)的本體電容。因此需要一個(gè)強(qiáng)抗雜散電容的測(cè)量電路。 </p><p><b>　?。?）預(yù)期目標(biāo)</b&g

27、t;</p><p>　　1、對(duì) ECT系統(tǒng)的基本構(gòu)成、發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的一些問題進(jìn)行了解；</p><p>　　2、分析ECT系統(tǒng)各部分的工作原理； </p><p>　　3、發(fā)現(xiàn)電容測(cè)量中存在的主要問題，分析其電路的抗雜散電容的效果；</p><p>　　4、研究多種電容測(cè)量電路的基礎(chǔ)上，提出較高速的電容/電壓轉(zhuǎn)換電路；</p&g

28、t;<p>　　5、設(shè)計(jì)ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件控制電路，并對(duì)其中的主要部分的組成；</p><p>　　6、對(duì)ECT系統(tǒng)的靜態(tài)特性、靈敏度進(jìn)行分析。 </p><p>　　4、研究工作詳細(xì)進(jìn)度和安排</p><p>　　2011.12-2010.12.07 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)檢索、資料查閱； 2010.12.10-2011.01.10

29、 完成外文翻譯、文獻(xiàn)綜述； 2010.01.11-2011.02.27    完成畢業(yè)實(shí)習(xí)及實(shí)習(xí)報(bào)告，開題報(bào)告； 2011.02.27-2011.05.02    完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的最后細(xì)節(jié)要求； 2011.05.02-2011.05.25 完成畢業(yè)論文的評(píng)閱和答辯前的準(zhǔn)備工作； 2011.05.27-2011.05.29 完成畢業(yè)答辯。</p>

30、<p><b>　　5、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 趙進(jìn)創(chuàng),傅文利,張錦雄,梁家榮. 電容層析成像系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)新方法[J]. 工業(yè)儀表自動(dòng)化裝置，2004. [2] 徐巧玉.電容層析成像系統(tǒng)關(guān)鍵問題的研究[D]：[碩士學(xué)位論文]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2004. [3] 余金華. 電

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