电容层析成像技术测量电路的设计【开题报告】.doc

1、毕业设计开题报告 电子信息工程 电容层析成像技术测量电路的设计 1、 选题的背景、意义 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。在我们日常 生活中，过程 成像可用于研究化工、石油等各种固体、气体的物料输送管道中的气 或

2、固两相流和气或固或液多相流得流态化、反应、扩散以及混合等动态过程 ,以监控反应器中气泡的分布和大小以及反应器中气泡的破碎和合并等过程；通过工 业过程中的建立的模型 ,研究反应器中反应速率、质量传递以及热量传递的关系 ,提高反应器的选择性、转化率以及安全性等 1。 电容层析成像技术（ ECT）是医学 CT 技术在工业流动过程上的改革与发展，是目前用来解决多相流参数测量难度大的最新手段。 ECT(Electrical Capacitance Tomography)是在应 用于多相流参数检测的一种新型技术 ,原理是依靠检测非导电物场内介质分布变化引起的电容值的变化 ,通过某种图像重建算法来反演物场内

3、的介质分布 ,从而实现对两相流参数的测量。 工业过程成像技术中，电容的成像技术（ ELECTRICAL CAPACITANCE TOMOGRAPHY,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 2。 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，美国能源部 MORGANTOWN 研究中心几乎与 BECK的研究小组同时发明出了一种在线监测流化床中空隙率分布的 16电极电容的成像系统（ CAPACITANCE

4、 IMAGING SYSTEM,简称 CIT），该系统可用于对流化床内物料密度三维分布地监测。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 3。 但目前 ECT 系统的测量精度、重建图像质量、速度还不尽 人意。为满足电容层析成像系统对电容测量的相当苛刻的要求， 用来对电容进行测量的电容 /电压转 换电路设计成为难点 3。本文具体分析了电容测量的问题，在研究多 种电容测量电路的基础上，提出了较高精度的电容 /电压转换电路。 2、 相关研究的最新成果及动态 为了提高层析成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

5、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。在国外，英国大学已初步建立起了 ECT、 ERT 和超声成像多模态测量装备 ,同时开展多相流的测量实验。而在国内方面 ,天津大学开展起了“ ECT/ERT 电阻抗双模态层析成像”的研究 ,并取得了一定的成果 4。 ECT 系统用电容测量电路的研究已取得重要进展。有两类能抑制杂散电容的电容测量电路最为常用：一类是直流充放电电容测量电路；另一类是交流法电容测量电路 .直流充放电电容测量电路典型分辨率是 0.3fF。它的优点是抗杂散电容、电路简单、成本低。它的缺点主

6、要是采用直流放大有漂移以及 cmos 开关的电荷注入效应影响了充电放电 C-V 电路的性能 ,使得电路的抗杂散性能下降。交流法电容测量电路被公认最好的一种。因为它克服了直流冲 /放电型所固有的缺点 ,比如受注入电荷影 响、直流漂移 ,灵敏度较低等。可抑制杂散电容 ,低漂移、高信噪比 5。 由于电容成像系统电容传感器不同极板组合之间的电容值通常在 1.0pF 以下，属于微电容测量范围，因此要求测量电路具有以下几方面得特性 6： （ 1）首先要求抗分布电容能力。电容传感器各电极和屏蔽罩之间以及用于连接电极和测量电路的同轴电缆与“地”之间均存在分布电容，他的量值通常在几十到上百 pF，远远大于了被测

7、电容值，因此为了准确测出被测电容值，测量电路必须具有克服分布电容影响的能力。 （ 2）然后也要求做到大量程及高灵敏度。电容传感器任意两个极 板组合构成一个两端子的电容，并且相邻极板之间和相对极板之间的电容值相差较大，在相邻极板之间最大电容的变化值可达上百 pF，但相对极板间最大电容变化值只有几 pF，因此测量电路应具有高灵敏度及较大量程。 （ 3）同时要有低漂移和高信噪比。工业现场往往具有较强环境噪声，因此要求测量电路具有较低的漂移和较高信噪比，使整个系统具有好的稳定性。 （ 4）最后要有电容层析成像系统的应用对象通常为快速变化的工业过程，为保证实时性，测量电路必须具有较快的响应速度。 目前的

8、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较多 7。 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开始从 1992 年起每年召开一次题为 ECAPT(the European ConcertedAction on Process Tomography)地会议 ,其目的在交流最新研究成果 ,探讨过程层析成像技术的发展方向 8。 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

9、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 9。 3、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 （ 1）研究内容 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、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； 4、对 ECT 系统进行静态特性、灵敏度和线性的实验，进行分析

10、，对结果进行比较。 （ 2）研究方法 电容层析成像 (Electrical Capacitance Tomo2graphy,ECT)的技术的基本原理是 :位于管道内部的两相流 ,其各相介质具有不同的介电常数 ,两相流在流动时 ,各相其含量和其分布不断变化 ,引起两相流体复合介电常数的变化 ,电容传感器将获得的测量数据反映出整个管道截面上介电常数的分布情况 ,这些数据被反应到计算机，并且通过某种图像重建算法 ,可以得到被测对象在该管道截面上的 分布的图像 10 屏蔽罩 测量数据 电极 绝缘管道 控制信号 径向电极 ECT 传感器 ECT 系统框图 图像 1 是电容成像系统的一个示意图，他是一个典

11、型的电容成像系统它包括电容传感器阵列、测量及数据采集电路、成像计算机三大部分。他的基本原理是在流体流动的管道沿管道外部均匀地粘贴一些电容极板，使任意两个极板均可组成一个两端子得电容。管道内两相流动介质的不同相分布会引起电容极板间介电常数变化，从而实现改变电容值的大小 11。事实上，各对极板间的电容值包含了与分布有关的信息，并且，通过测量不同极板组合间的电容值并将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相分布的图像。本文只对电容传感器阵列、测量及数据采集电路两部分进行研究 12。 1、电容传感器阵列 以典型的 8 电极电容传感器层析成像系统为研究对象，传感器主要是由绝缘管道、

12、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，屏蔽罩一方面可抑制外界电场的干扰，另一方面可防止屏蔽罩之外空间的物质的介电常数发生变化影响量电容值 13。 计 算 机 数据采集 及 信号处理 径向屏蔽极板 绝缘管道壁 3 2 4 1 R1 R2 R3 5 8 电容极板 6 7 绝缘填充材料 外屏蔽罩 传感器截面图 2、 数据采集电路 电容层析成像的数据采集系统包括多通道的数据采集控制，电容 /电压（ C/V）转换， A/D 转换及通讯接口等。其中电容 /电压 (C/V)转换电路的 设计是最关键也是最困难的。用于成像的数据就是由该

13、系统采集并传输给计算机的，成像的准确性在很大程度上依赖于数据采集系统的准确性 14。 数据采集系统 （ 3）研究难点 ECT 技术以其具有的非侵入、结构简单和成本低等优点 ,只要求各相介质具极板转换电路 电容测量电路 A/D 转换电路 有不同的介电常数 ,都可以应用到该技术。但是目前状况下仍存在着以下的主要问题 15: 首先，微小电容检测灵敏度及抗干扰性要求高； 其次，电容测量的 “ 软场 ” 问题 ,即敏感场分布受被测介质分布的影响； 再次，在管壁上安置极板的数量 受极板面积的限制 ,从而使得到的独立电容的测量数据 (即投影数据 )有限。 一般在一个 ECT 系统中，主要还有以下 3 个方面

14、的杂散电容 16。 1、用于极板阵列控制电路的 CMOS 开关的耦合电容； 2、电容极板和电容测量电路之间的连线电容； 3、极板和接地屏蔽之间的电容； 以上 3 个方面加起来的杂散电容大于需被测的本体电容。因此需要一个强抗杂散电容的测量电路。 （ 4）预期目标 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； 2、分析 ECT 系统各部分的工作原理； 3、发现电容测量中存在的主要 问题，分析其电路的抗杂散电容的效果； 4、研究多种电容测量电路的基础上，提出较高速的电容 /电压转换电路； 5、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； 6、对 ECT

15、系统的静态特性、灵敏度进行分析。 4、研究工作详细进度和安排 2011.12-2010.12.07 完成毕业设计的文献检索、资料查阅； 2010.12.10-2011.01.10 完成外文翻译、文献综述； 2010.01.11-2011.02.27 完成毕业实习及实习报告，开题报告； 2011.02.27-2011.05.02 完成毕业设计的最后细节要求； 2011.05.02-2011.05.25 完成毕业论文的评阅和答辩前的准备工作； 2011.05.27-2011.05.29 完成毕业答辩。 5、参考文献 1 赵进创 ,傅文利 ,张锦雄 ,梁家荣 . 电容层析成像系统传感器设计新方法 J

16、. 工业仪表自动化装置， 2004. 2 徐巧玉 .电容层析成像系统关键问题的研究 D： 硕士学位论文 . 哈尔滨：哈尔滨理工大学， 2004. 3 余金华 . 电阻层析成像技术应 用研究 D： 博士学位论文 .浙江杭州 : 浙江大学 , 2005. 4 周守军 ,唐杰 ,郭敏 .电站锅炉一次风粉在线监测系统关键部件的研究 J. 节能技术， 2006 年 9 月 ,第 5 期 . 5 Jianxin Ren, Fangqin Li1 Low2NOx CombustionTechnology of China and Staged Combustion A ,2003 ICEE, 20031 4

17、45 4471. 6 Douglas J1 Smith1 Ladwp Lowers Emissions WhileAdding Capacity J. Power Engineering , 2002 ,J un : 35 381 7 张辉 .锅炉风粉在线监测系统在火力发电厂中的应用 J.中国仪器仪表 . 2006 年第 4 期 . 8 毛健雄等 . 煤的清洁燃烧 M. 北京 : 科学出版社 , 19981 87 891. 9 车刚 , 苗长信 , 等 . W 型火焰锅炉的燃烧机理及应用介绍 J. 山东电力技术 , 2002(4): 39 41. 10 王运明 . 引进型 W 型火焰锅炉的技术

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