工业总线标准电容层析成像系统设计

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1、资助项目：国家自然科学基金面上项目（编号：61473206）国家自然科学基金面上项目（编号：61571321）工业总线标准电容层析成像系统设计DesignofElectricalCapacitanceTomographySystemBasedonIndustrialBusStandard工程领域：控制工程作者姓名：徐康指导教师：谭超副教授企业导师：蒲诚高级工程师天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月独含J性声明本人声明所呈交的学位稔文是本人在尋帰指早下逆行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特別加以林注和致洲之姓外,沿文中不包含其他人己径友表或撰写道的研究成果,

2、也不包含力荻得え津大学或其他教育机杓的学位或江事而使用遣的材料。与我一同工作的同志対本研究所倣的任何貢献均己在沿文中作了明晩的悦明井表示了朔意。学位沿文作者釜名:イ金魚釜字日期:ン17年11月イ日学位稔文版杖使用授杖弔本学位稔文作者完全了解天津大学有美保留、使用学位沿文的規定。特授枚夭津大学可以将学位稔文的全部或部分内容編入有美数据庫遊行栓索,井采用影印、縮印或掏描等隻制手段保存、,E編以供査同和借開。同意学校向国家有美部

3、]或机杓送交沿文的隻印件和磁盈。(保密的学位沿文在解密后適用本授枚悦明)学位沿文作者釜名:イ含鷺刷雨釜各移魚釜字日期:Z研′1月プγ日釜字日期:ス‖7

4、年t′月日7年ソ中文摘要电容层析成像技术（ElectricalCapacitanceTomography，ECT）是电学层析成像技术中的一种，通过传感器阵列向被测区域注入激励信号构建电学敏感场，同时测量场内介质由于介电常数分布不均所产生的“投影”信号，进而利用图像重建算法重建被测场域介电常数的分布图像。ECT具有非侵入、无辐射、成本低、响应迅速并且实时可视化的优点，在工业过程在线测试与可视化监控领域有着广阔的应用前景。然而，ECT技术仍然存在集成化程度和兼容性不高等问题，为满足多相流测试领域的高速性、灵活性和多模态兼容性等要求，本文设计并实现了一套基于CPCI（Compa

5、ctPeripheralComponentInterconnect）工业总线标准的数字化ECT系统，在一块6U板卡上实现系统的集成式设计，具有高速、高精度、高稳定性的优点，可与现有工业级测试总线系统灵活兼容。具体研究工作包括：（1）设计并实现了一套基于工业总线标准的电容层析成像系统。为实现传感器阵列电容数据的测量，解调与传输，设计了一套集成正弦信号电压激励源模块、多路复用开关模块、CV转换模块、信号预处理与AD解调模块、CPCI通信模块的单板硬件系统。（2）设计并实现了一种基于FPGA的ECT实时控制方法。为实现硬件系统功能要求，采用VHDL编程语言实现了幅值和相位可调的

6、激励模块、开关驱动模块、AD采集模块、数字解调模块和CPCI通信驱动模块的搭建与各个模块之间的协同工作。（3）通过采用石英砂和塑胶棒作为被测对象，利用Tikhonov正则化方法作为图像重建算法，开展了系统的静态试验，验证所开发ECT系统的良好性能以及将其用到气固两相流测试的可行性。关键词：电容层析成像；CPCI工业总线；FPGA；硬件系统；系统实验；图像重建IABSTRACTElectricalCapacitanceTomography(ECT)isoneoftheelectricaltomographytechniques.Theelectricalexcitation

7、fieldisinjectedintothemeasuredareabythesensorarray.Atthesametime,the"projection"signalwasgeneratedbythesymmetricdistributionofdielectricmedium,andthensomeimagereconstructionalgorithmsareusedtoreconstructdielectricconstantdistributionofthemeasuredfield.ECTtechnologyhastheadvantagesofnon-in

8、vasiveness,noradiation,lowcost,rapidresponseandreal-timevisualization.Meanwhileithaswideapplicationprospectinindustrialprocessonlinetestandvisualmonitoring.Insomemulti-phaseflowmeasurementapplications,ECTtechnologydoesnothasthehighdegreeofintegrationandcompatibility