电容层析成像技术数据采集控制电路设计

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1、华东交通大学大学毕业设计第1章绪论1.1过程层析成像技术由于流体的流动性在时刻变化，检测两相流参数有着很大的难度，同时其检测技术无论在国内还是在国外都是一个急需解决的问题，因此，对两相流(多相流)参数进行测量的变得越来越迫切。过程层析成像技术在这样的背景之下也随之产生。在上个世纪八十年代中期，过程层析成像(ProcessTomography，简称PT)技术随着成熟的医疗CT技术应用于过程参数检测领域而产生。它是基于CT技术，其主要目标是两相流或多相流。PT系统通过均匀粘贴在管道外壁上的传感器，感应出管道内部因介质变化而引起的被测区域内的测量值的

2、变化，通过串口将检测到的电容数据送给上位机进行图像重建，从而获得被测区域内部的介质分布情况。1.2电容层析成像技术电容层析成像技术(ElectricalCapacitanceTomography，简称ECT)是过程层析成像技术(ProcessTomography，简称PT)的一种，是上个世纪八十年代后期在医学CT技术基础上形成和发展起来的。其基本原理是通过均匀粘贴在管道外壁上的电容极板，感应出管道内部因介质变化而引起的被测区域内的电容值的变化，将测量到的电容值送给上位机，通过合适的图像重建算法进行图像重建，从而获得被测区域内或空间状况的二维、三

3、维可视化信息。电容层析成像系统构成主要包括三个单元：阵列式电极敏感系统、信号处理单元及计算机图像重建再构单元。图1.1为ECT系统结构图。其中，均匀分布在管道外壁上的多电容极板构成阵列式电极敏感系统；数据采集与信号处理单元用来测量被测区域中因介质变化而引起的电容值的变化，由此获得不同角度下的投影数据，并将数据发送到图像重建计算机；计算机图像重建再构单元通过重建算法将获得的数据进行重建，从而得到管道内的介质分布情况[4]。图1.1ECT系统结构1王步胜：电容层析成像技术数据采集控制电路设计1.3ECT系统研究现状从上个世纪八十年代开始到现在，EC

4、T系统的研究取得突飞猛进的发展。1988年，英国曼彻斯特科技大学(UMIST)的M.S.Beck教授对气固两相流进行了研究，成功研制了8极板ECT系统模型，并且得到了初步实验结果。1995年，Johansen等提出了一种将ECT技术与射线成像技术相结合的系统，并且利用该系统对管道中的油/气/水三相流进行监测。在四年之后的1999，W.Q.Yang和A.York提出了一种高度敏感的基于交流电容测量电路。2004年，GertHoller、AntonFuchs、BernhardSchweighofer等人对基于有限元法的电容层析成像系统进行了测量结果

5、和模拟的比较研究。2008年，AntonFuchs等人提出了一种用于固体散料气力输送体电容式流量计并确定了三维传感器的灵敏度函数[8]。2005年之前，ECT系统主要针对二维图像重建的研究。在这之后,国外开始着眼于三维ECT系统的研究。2005年，Kimoto等人应用ECT技术对人的头部温度模式进行了重建。2007年，Warsito等人对Wajman在2006年研究的三维ECT系统的传感器结构参数提出了异议，对传感器的设计和图像重建重新进行了思考，并提供了一种标准的、鲁棒的、直接的三维ECT系统。2010年，L.S.Fan等人使用了不同形状的极

6、板对实时的三维体素ECT系统进行研究[14]。1998年，颜华等人对应用于ECT系统中的微小电容测量电路进行了研究。2004年，高彦丽、杨蓓等人采用分离式元件设计了具有低成本、高灵敏度和宽测量范围的微小电容测量电路[5]。2007年，陈德运、黄家定等采用前项补偿方法设计了用于油水两相流检测的12极板电容层析成像系统。2009年，赵进创等在二维图像重建的基础上发展了三维ECT装置，并且初步验证了方法的简单性和有效性。2011年，周云龙等人对存在于ECT系统中的杂散电容进行深入的分析和研究，并且利用FPGA芯片进行控制，采用VHDL语言进行编程，设

7、计了一种具有干扰小、集成度高的高速数据采集电路。从1986年至今的二十年多年里,我国已经多次召开多相流检测会议，包括连续召开的多相流检测技术学术会议和相继召开的国际多相流检测技术会议。到目前为止，电容层析成像技术已经取到了令人可喜的研究成果。1.4本设计主要工作本设计主要工作为设计一个基于51单片机的具有具有控制转换及通讯功能的8电极电容层析成像数据采集控制电路，并运用C语言完成软件编程。该电路能与微小电容测量电路构成一个完整的ECT测量电路。具体工作如下：1.设计包括多通道数据采集，A/D、D/A和串口通讯的数据采集控制电路。2.采用Alti

8、umDesigner完成器件的选型和原理图的绘制。3.运用KeilC51完成控制程序的编写和调试。2华东交通大学大学毕业设计第2章ECT系统基本组成2