1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 电容层析成像技术测量电路的设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 按照探测器的种类分类 ,过程成像技术可以分为电磁辐射式的、声学式的和电学式的。 在电学式成像中 ,以电容、电阻、电感作为探测器的过程成像技术 ,分别称之为电容过程的成像技术 (ECT)、电阻过程的成像技术 (ERT)、电磁过程的成像技术 (EMT)。 目前的电容成像微电容测量的方法包括其充放电法、有源差分法、交流法等等。其中充放电法和有源差分法电路结构较简单，但电路稳定性不好，信噪比也较低；交流激励方法由于信噪比和稳定性都
2、较高，目前在电容成像中应用较多。 ECT 系统用电容测量电路：直流充放电电容测量电路和交流法电容测量电路。前一种的优点是抗杂散电容、电路十分简洁、价格低。而缺点主要是有漂移，而且 会影响充电放电 C-V 电路的性能 ,使得电路性能降低。后一种电容测量电路则较好。它克服了直流冲 /放电型所原有的不足 【 1】 。 因为电容层析成像系统的传感器不同极板对间的电容值一般都在 1.0pF 之下，属于微电容测量的范畴，从而要求测量电路要有下面几个特点： 首先要求抗分布电容能力。 然后也要求做到大量程及高灵敏度。 同时要有低漂移和高信噪比。 关键词： 过程成像技术 ， ECT系统 ， 抗杂散电容，灵敏度
3、II Design of capacitance tomography technique to measure circuit Abstract According to detectors type classification, the process image formation technology may divide into the electromagnetism radiation formula, acoustics-like and the electricity type. In the electricity type image formation, by th
4、e electric capacity, the resistance, the inductance takes detectors process image formation technology, calls it electric capacity process image formation technology (ECT), resistance process image formation technology (ERT), electromagnetism process image formation technology (EMT) separately. Pres
5、ent electric capacity image formation micro electric capacities survey method including its charging and discharging law, active method of difference, exchange law and so on. And the charging and discharging law and the active method of difference circuit structure is simple, but the electric circui
6、t stability is not good, the signal-to-noise ratio is also low. ECT system uses the electric capacity metering circuit: Direct-current charging and discharging electric capacity metering circuit and exchange law electric capacity metering circuit. The preceding kind of merit is the anti-stray capaci
7、ty, the electric circuit is very succinct, the price to be low. But the shortcoming mainly has the drifting, will affect the charge to discharge the C-V electric circuits performance, will cause the electric circuit performance to reduce. The latter kind of electric capacity metering circuit is good
8、. 1. Because the electric capacity chromatographic analysis imaging systems sensor different pole plate to the capacitance value under 1.0pF, belongs to the category which generally the micro electric capacity surveys, thus the request metering circuit must have the following several characteristics
9、: First requests the anti-distributed capacity ability. Then also requests to achieve the great measuring range and the high sensitivity. At the same time must have the low drifting and the high signal-to-noise ratio. Key word: Process image formation technology, ECT system, anti-stray capacity, sen
10、sitivityIII 目录 摘 要 . I Abstract . II 一、 绪论 . 1 1.1课题的来源 . 1 1.2课题的意义 . 1 1.3电容层析成像技术的发展历程 . 2 1.4课题研究的主要内容 . 3 1.5小结 . 3 二、 设备方案设计与总体设计 . 4 2.1电容层析成像系统的方案设计 . 4 2.2电容层析成像系统总体设计 . 4 2.2.1电容传感器阵列 . 4 2.2.2电容测量电路 . 7 2.2.3控制电路的设计 . 9 2.3 极板控制电路的寄生电容 . 10 2.4 耦合电容的软件实时补偿 . 12 2.5 通讯接口芯片说明 . 12 2.6 小结 .
11、15 三、实验结果 . 16 3.1 AD536实验结果分析 . 16 3.1.1 AD536 实验 . 16 3.1.2 结论 . 17 3.2 静态特性与灵敏度 . 17 3.3 系统线性 . 20 3.4 实用性 . 22 3.5 小结 . 23 四、结论 . 24 参考文献 . 25 致 谢 .错误 !未定义书签。 附录 A 控制电路原理图 . 27 附录 B C/V转换电路原理图 . 28 电容层析成像技术测量电路的设计 1 一、 绪论 1.1 课题的来源 在我们日常生活中 有的各种实用工业过程成像技术中，电容的成像技术（ Electrical Capacitance Tomogra
12、phy,简称 ECT）以它廉价、高速 和非辐射等特点，在近十几年来获得很大发展。其实，早在二十世纪八十年代中期，以英国曼彻斯特理工大学 Beck M S教授为首的研究小组就已经提出了“流动成像”（ Flow Imaging）得概念，并研制成功了 8 电极的电容成像系统。在国外，发明出了一种在线监测空隙率的 16 电极电容的成像系统（ Capacitance Imaging System,简称 CIT），该系统能方便应用在对流化床中的物料密度三维分布地测试。电容成像的技术应用于工业上的多种需要进行多相流监测的场合，比如，气固、气液、火焰等监测 【 2】【 3】 。 1.2 课题的意义 本课题的意
13、义在于研究分析了一个完善的电容层析成像系统 ,应该要有以下的几方面的特征 : 第一电容层析成像系统的价格要是低的 ,能够在比较广的范围上使用。 第二实时性要佳 ,要能应用于工业现场的实时检测。同时应具有较高的测量精度和图像品质。 第三电容层析成像系统要有较好的抗干扰性，同时也要确保其可靠性 ,能在较恶劣的环境下工作。 第四电容层析成像系统的软、硬件应尽可能的简单。 电容流动层析成像的系统和超声波流动层析成像的系统 ,因为其系统成本低、适用范围 广泛、系统结构十分简单、非侵入性的传感器、安全性能好等特点 ,一定能够得到继续发展 ,并具有广阔的工业应用前景 【 4】【 5】 。 并且为了提高层析成
14、像的成像系统的临时性、测量准确度和图像的品质 ,多机理、多模型的层析成像技术将是未来发展的一大主流 ,也就是对同一系统采用两种或两种以上的成像技术对其进行同时监测 ,通过增添信息量以扩展系统的适用范围和测量准确度。在国内、外方面 ,对层析成像技术的研究 ,都有了一定的进展。 目前的电容成像微电容测量的方法包括其充放电法、有源差分法、交流法等等。其中充放电法和有源差分法电路结构较简 单，但电路稳定性不好，信噪比也较低；交流激励方法由于信噪比和稳定性都较高，目前在电容成像中应用电容层析成像技术测量电路的设计 2 较多。 ECT 系统用电容测量电路：直流充放电电容测量电路和交流法电容测量电路。前一种
15、的优点是抗杂散电容、电路十分简洁、价格低。而缺点主要是有漂移，而且会影响充电放电 C-V电路的性能 ,使得电路性能降低。后一种电容测量电路则较好。 总而言之 ,随着现代工业化的不断进步 ,对过程层析成像系统的实时性、精确度和图像品质的要求也提高了 , 多模型、多机理的层析成像技术将是解决这一问题的一个十分有效的方法 ,并且也是过程层析成像技术的 一个重要的发展趋势。 1.3 电容层析成像技术的发展历程 两相流的技术学科在经济发展之中有着十分重要的位置，相对于单相流的体系，两相流的体系不仅仅是流动特性的复杂，而且还有界面效应以及相对速度。 到现在为止，两相流的检验测量技术之中最为关注的主要就有分
16、相含率、流型、流体的流速、体积的流量、质量的流量等等，并且根据这些数据的测得，不论是在国内还是在国外，工作在两相流检测技术的研究的专家吗作出巨大的贡献，其使用地技术可以基本上划分为三个类别： 1、 传统的单相流检测技术与仪表和两相流检测模型相结合的测量方法 2、 应用近代新 技术的测量方法 3、 在成熟的硬件基础上，以计算机技术为支撑平台，应用基于软件测量技术的测量方法 在过程层析成像的技术研究方面 ,在国外，欧洲的一些国家目前处于领先地位。英国曼彻斯特理工大学 (Uni2versity of M anchester Institute of Science and Technol2ogy,简
17、称 UM IST)研究小组首先提出的“流动成像”的概念 ,他们研制成功的 8电极电容层析成像系统 ;还有，英国开发研制的 PTL2200、 PTL2300等 ECT系统 ,最快速度可以超过 200帧 /秒 ;还有 ，美国国家实验室研制的电阻层析成像技术在核废料场监测上有很大的应用 ,为核废料储存场的各项性能提供了数据。全球其他的国家也对过程层析成像的技术开展了积极的长期研究。 由于过程成像技术的非侵入式的动态检测特点和潜在的应用前景 ,在国外，欧洲过程成像研究小组就开始从 1992 年起每年召开一次会议 ,其目的就在于方便各地交就自己的流研究成果交换意见 ,并且为过程层析成像技术的发展方向指出
18、方向。以及， ECAPT的有关组织机构得到了大笔的研究基金 ,并且，组建了过程成像技术中心 VCIPT(The Virtual Centrefor Industrial Process Tomography)。而且，在 1999.4召开了首届世界工业过程成像的会议。 2003年电容层析成像技术测量电路的设计 3 第三届会议在加拿大召开 ,这次会议以图像重建算法、硬件系统以及过程成像技术在工业过程等各方面的应用。 在中国中科院过程所与曼彻斯特大学合作且在 1999 年完成了交流激励系统的图像成像的软件 ,并对成像系统进行的改进 ,使得 12电极 ECT探测系统采集速度达到了 140幅 /秒。他结
19、合典型实际应用的话题 ,有关于 EIT、 ECT 过程成像德基础理论以及关键技术研究的基金重点项目正在执行过程中 。 过程成像的技术研究 ,旨在研发新一代智能化实时检测系统 ,将工业过程动态信息与流体动力学模型相结合 ,建立更加符合实际工艺的过程模型 ,更进一步得优化工业过程结构和参数设计 ,以改进工艺的过程和提高生产效率和生产安全性 【 6】【 7】 。 1.4 课题研究的主要内容 1、对 ECT 系统的基本构成、发展现状以及存在的一些问题进行了解，分析其工作原理； 2、发现电容测量中存在的主要问题，研制出高精度的电容电压转换电路，分析其电路的抗杂散电容的效果，在实验的基础上优化电路； 3、
20、设计 ECT数据采集系统硬件控制电 路，并对其中的主要部分的组成进行实验； 1.5 小结 过程成像 (PT:PROCESS TOMOGRAPHY)技术是近年来才发展起来的一种两相或多相流测量技术 ,其优点是利用被测物体外部的检测信息 ,获得被测物体内部变化高速流状态。 过程成像经常使用特殊方法设计的探测器 ,通过非侵入式的方法取得被测两相流或多相流介质的场 (如电磁场 )信息 ,可以根据场的信息和被测物体的作用原理 ,应用数学的方法重建两相流或多相流在管道内 或反应装置的内部的横截面上的动态分布的情况。 本章主要介绍了课题的来源、意义以及简单说 明了本课题的主要 研究内容。 电容层析成像技术测
21、量电路的设计 4 二、 设备方案设计与总体设计 2.1 电容层析成像系统的方案设计 电容层析成像 (Electrical Capacitance Tomo2graphy,ECT)的技术的主要原理是 :位于管道内部的具有不同的介电常数的各相介质在运动时 , 其分布不是一成不变的 ,通过电容传感器测得的各测量数据，能够反映出整个管道内介电常数的分布情况 ,然后将这些测量获得的数据输入计算机中，进行数据处理 ,可以得到被测对象在该管道截面上的分布的图像。 图 2-1电容层析成像系统设计方案 图 2-1是电容成像系统的一个示 意图，这是一个典型的电容成像系统。它包括三大部分：电容传感器阵列、测量及数据
22、采集电路和计算机成像系统。他的主要原理是在管道外部均匀地粘贴一些电容极板，使其任意两个极板都能组成一个两端子的电容。由于管道内分布着不同相分布的介质，因此会引起电容极板间介电常数变化，进而产生不同的电容值。其实，各对极板间所测得的电容值都蕴含着与分布有关联的信息，而且，测量不同极板组合间的电容值并将其送入计算机按一定的算法进行图像重建，就能够得到管道截面上的分布图像 【 8】 。 2.2 电容层析成像系统总体设计 2.2.1电容传感器阵列 一般地 ，对于一个 N电极系统，可得到的独立的电极对组合数 N为： 2/12 NNCN N 电容层析成像技术测量电路的设计 5 以典型的 8 电极电容传感器
23、层析成像系统为例子，传感器主要是由绝缘管道、检测电极和屏蔽电极三部分构成。绝缘管道一般采用陶瓷管，检测电极一般由铜箔构成。屏蔽电极主要由屏蔽罩和径向电极组成，屏蔽罩一是可防止外界电场的干扰，另一个事能防止屏蔽罩之外空间的物质的介电常数发生变化影响电容值。 把 8个极板的某一极板设为起点，顺次为极板编号，得到编号依 次为 1, 2, ，8的极板。在第一次测量时，先把极板 1作为源极板，然后将其与剩下的极板 1、2、 3 8分别组成电极对，分别编号为 1-2, 1-3, ， 1-8。再对这七对极板进行电容测量，值得注意的是在每次测量过程中，闲置电极都是需要与地相连接的。然后，进行第二次测量，与第一
24、次测量类似，只要把极板 1换成极板 2即可。最后，在 8 电极的系统中总共能够测量得到 28 个测量值，并且按上述的顺序进行编号： C1,C2,. , C28。在考虑单个电容并注重电容的来源时，一般用 jiC 表示极板 对 i-j间的电容。 径 向 极 板极 板屏 蔽 罩R3R2R1介 质管 壁极 板 径 向 极 板屏 蔽 罩填 充 材 料管道内不同位置的介质由于介电常数不同，在对同一对极板对测量电容值时回产生不同的影响。相反的，管道内同一点的介质虽然介电常数相同，但在对不同对极板对进行电容测量时也会对电容值产生不同的影响。因此，可以理解为在对每对极板对进行电容的测量时，事实上是在对管截面内介
25、质的扫描。每个测得的电容值可以当成是管道内的介质本身的特性数据。对于一个 8 电极的测量系统，一遍完整的电容测量过程，就能得到 28 个数据，电容层析成像技术就是利用这些数据来 获取各相参数和进行图像重建的。 电极数增加，则电容测量值也就增多，对图像重建越有利，但会使电容测量的灵敏度降低，对测量精度有不利的影响。延长了数据采集和图像重建的时间，使系统实时性将降低。电极的张角也存在着一个最佳值，过大或过小对测量都会产生不利影响 【 9】【 10】【 11】 。 管壁厚度在满足一定的机械强度的条件下应适当薄一点。因为电容传感器的高灵敏区一般都在管壁附近，管壁太厚时，虽然机械强度增加了，但是电容传感
26、器灵敏度却下降了。 电容层析成像技术测量电路的设计 6 传感器的空管 /满管电容变化反应了传感器的整体敏感度，其数值越大传感器的整体灵敏度 越高，因此空管满管电容变化量可作为传感器性能的一个重要指标。为了研究传感器中各个结构参数对传感器性能的影响程度，下面对 8电极的传感器进行性能的分析： R1=2.55cm， R2=3.15cm， R3=3.65cm， 为 30角， N=8,管道壁的介电常数、绝缘填充材料的介电常数 43, 都是 5。对电容传感器进行分析详情见表 1，表 2。 表 1 空管电容值变化 单位 pF/m 传感器结构 C1-2 C1-3 C1-4 C1-5 基准的传感器 1.841
27、 0.182 0.091 0.073 3 =8 2.953 0.212 0.095 0.078 4 =9 1.791 0.171 0.083 0.068 R2-R1=10 1.882 0.205 0.092 0.074 R3-R2=14 3.663 0.238 0.112 0.038 R3-R2=2 1.295 0.150 0.075 0.062 表 2 满试管电容值变化 单位 pF/ 传感器结构 C1-2 C1-3 C1-4 C1-5 基准的传感器 1.895 1.081 0.961 0.927 极板宽度 =8 3.212 1.671 1.407 1.337 极板宽度 =9 1.877 1.030 0.913 0.881 R2-R1=10 1.666 0.825 0.751 0.730 R3-R2=14 3.546 1.351 1.195 1.153 R3-R2=2 1.435 0.925 0.821 0.793 经过对管道壁的厚度以及极板的宽度的 理论和实验上的分析，可以得出最佳传感器参数如下： 表 3 最佳传感器结构参数 管子内径 18.8com 管子外径 22.3com 屏蔽罩直径 25.0com 极板长度 10com 极板宽度 8com
