基于正交鉴相的磁感应成像硬件系统设计

论文摘要

磁感应成像技术是一种非接触、非侵入式的医学成像技术,本文对磁感应成像技术的研究侧重于硬件系统设计。论文主要研究内容是单通道测量系统设计,但同时也兼顾到多通道测量系统的设计。具体研究内容如下:(1)设计了一种新型传感器线圈。本系统中使用的激励和检测线圈都是基于PCB工艺的平面螺旋线圈。线圈的两侧添加了梳状屏蔽层,减少了线圈的容性耦合效应和外界干扰。(2)采用正交鉴相法进行相位测量。在信号通道中加入移相器,通过对检测信号进行移相使检测信号与参考信号达到正交,再对两个正交信号的相位变化量进行测量。正交鉴相的优点是提高了系统的灵敏度。移相器是一种由电阻、电容和运算放大器组成的全通滤波器。为了满足多通道测量系统需求,在移相器中加入了数字可调的相位微调环节。(3)采用电子开关作为相位检测器。在有关磁感应成像的文献中尚未有过使用电子开关作为相敏检测器的报导,本文使用这种方法属于首创。实验表明使用开关作为相敏检测器取得了良好的系统性能。(4)本文对激励电路、前置放大电路和控制电路也有深入研究,并且最终搭建了一套16通道磁感应成像测量系统。整个系统由激励电路、鉴相电路和控制电路组成,各个通道之间采用继电器进行切换。单通道测量系统性能测试结果表明,在系统工作频率为5MHz时,系统的相位噪声为1毫度,在3个小时内系统的相位漂移为6毫度,达到了较高的性能水平。单通道系统实验表明,鉴相电路的鉴相结果与被测物的电导率具有很好的线性关系,与理论分析相符合,同时也验证了本文所选方法的正确性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 磁感应成像技术简介
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本论文所做工作
• 2 系统方案实现
• 2.1 系统总体设计
• 2.2 线圈与屏蔽
• 2.2.1 选择线圈
• 2.2.2 系统屏蔽
• 2.3 激励电路
• 2.3.1 信号源
• 2.3.2 激励方式
• 2.3.3 功率输出级
• 2.4 鉴相电路
• 2.4.1 锁相放大器
• 2.4.2 鉴相原理
• 2.4.3 确定鉴相方法
• 2.5 前置放大电路
• 2.6 移相电路
• 2.6.1 电阻电容移相
• 2.6.2 锁相环移相
• 2.6.3 确定移相方法
• 2.7 参考信号
• 2.7.1 获取参考信号
• 2.7.2 选择比较器
• 2.8 控制电路
• 2.8.1 主控制器
• 2.8.2 引脚扩展
• 2.8.3 串口通讯
• 2.8.4 继电器控制
• 2.8.5 DAC 控制
• 2.8.6 上位机程序
• 2.9 供电电源
• 2.10 其他事项
• 2.11 本章小结
• 3 系统性能测试及实验结果分析
• 3.1 单通道实验
• 3.1.1 基本信号测量
• 3.1.2 线性度测试
• 3.1.3 相位噪声
• 3.1.4 相位漂移
• 3.1.5 盐水实验
• 3.2 多通道测量实验
• 3.3 本章小结
• 4 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读学位期间发表的论文目录