基于DSP电阻层析成像系统设计及其在两相流参数测量中应用研究

论文摘要

近年来,电阻层析成像(ERT)技术逐步进入到了工业应用研究阶段,在地质勘探、工业过程与环境监测等方面有许多成功应用。在实际工业环境下,气液两相流具有较高的流动速度,而目前的电阻层析成像系统的成像速度很难满足工业上的速度要求,为解决这一问题,本课题做了深入的研究和细致的实验。本课题从改进信号采集系统实时性入手,着重于ERT实验系统装置的设计,最终完成了本实验室基于DSP的ERT成像系统实验平台的研制以及对气液两相流参数进行了初步的测量研究,主要研究工作如下：(1)深入了解过程层析成像技术的原理和该技术的发展情况,以及现有技术的特点比较,归纳在实现系统中的技术难点。(2)充分领会ERT硬件系统设计思想,并通过分析和对比,对原有信号采集电路进行改进,缩短了对信号的响应时间。进而建立一套可实时成像、稳定工作的ERT系统硬件平台,系统设计工作于20kHz激励信号下。(3)深入学习DSP嵌入式系统的相关知识,包括DSP硬件,CCS软件。开发出ERT系统DSP的软件平台,实现了初始化外围器件,控制信号采集,实时成像运算以及控制USB发送图像的功能。(4)对传统图像重建算法进行分析并提出改进,将一种基于离线迭代思想的算法应用于ERT系统中,并通过实验对比验证该算法有着很好的综合性能。(5)设计和制作气液两相流实验装置,并针对泡状流进行检测实验,验证了应用ERT技术监测气泡行为的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 两相流检测技术
• 1.1.1 两相流的参数
• 1.1.2 两相流检测技术的研究现状
• 1.2 电阻层析成像技术
• 1.2.1 ERT技术的特点
• 1.2.2 ERT系统的构成及存在问题
• 1.3 本论文主要研究内容
• 第2章 ERT系统硬件设计
• 2.1 正弦波激励信号发生模块
• 2.1.1 正弦波电压发生器
• 2.1.2 压控电流源
• 2.2 电极选通模块
• 2.3 数据采集模块
• 2.3.1 电压缓冲级
• 2.3.2 可编程差动放大器
• 2.3.3 带通滤波电路
• 2.3.4 相敏解调电路
• 2.3.5 低通滤波
• 2.3.6 A/D转换模块
• 2.4 DSP控制/处理模块
• 2.5 USB通信模块
• 2.5.1 通讯方式选择
• 2.5.2 EZ-USB FX2固件程序配置
• 2.5.3 EZ-USB FX2硬件电路设计
• 2.6 电源模块
• 第3章 硬件系统实时性分析与优化
• 3.1 数据采集时间性能分析
• 3.2 滤波器优化分析基础
• 3.3 滤波环节输出稳定时间分析
• 3.3.1 低通滤波器分析
• 3.3.2 带通滤波器分析
• 第4章 ERT系统软件平台设计
• 4.1 ERT系统DSP平台程序设计
• 4.1.1 DSP的软件开发概述
• 4.1.2 程序流程
• 4.1.3 程序关键模块设计
• 4.1.4 程序自启动设计
• 4.2 ERT系统上位机程序设计
• 4.3 图像重建算法
• 4.3.1 LBP算法
• 4.3.2 STM算法
• 4.3.3 LandWeber迭代算法
• 4.3.4 OIOR改进型迭代算法
• 第5章 系统测试及系统实验
• 5.1 系统性能测试
• 5.1.1 正弦波发生器性能测试
• 5.1.2 优化后滤波器性能测试
• 5.1.3 系统的重复性精度
• 5.2 系统实验研究
• 5.2.1 气液两相泡状流模拟实验
• 5.2.2 轴向动态实验
• 5.2.3 算法比较试验
• 第6章 结论及建议
• 6.1 结论
• 6.2 改进建议
• 参考文献
• 致谢