基于DSP的电容层析成像数据采集系统的设计及实现

论文摘要

电容层析成像技术(ECT)是基于电容敏感原理的过程层析成像技术(PT)。该技术具有非辐射、非侵入、响应速度快、成本低廉和安全性能好等优点,已发展为一门重要的两相流参数检测技术,该技术是目前过程层析成像技术发展的主流和研究热点。但离实际应用尚有很大距离,在系统设计以及应用上还存在不少问题和难点。因此有待进一步研究和发展,以便将该技术尽快应用于工业领域。本文以12电极电容层析成像系统为研究对象,深入研究了电容层析成像技术的特点、工作原理和系统构成;设计了微小电容测量电路模型;将相敏解调原理应用到系统中,以实现对噪声信号的抑制,采用高精度乘法器、八阶低通滤波器实现抗噪声干扰的相敏解调电路;分析了耦合电容对系统的影响,通过硬件电路、软件实时补偿消除了耦合电容;设计了一套简化电路结构的极板开关控制阵列,使所有极板共用一个正弦激励信号和一路C/V转换电路。系统采用了增益可控差动电路进行直流补偿,利用PGA差动电路控制滤波电路的输出直流信号,反相端输入为D/A补偿电路输出的补偿信号,相减后经PGA内经放大后送入A/D测量电路,采用DSP芯片为核心控制芯片,最后由DSP将测量得到的数据通过串行口传送给计算机以完成电容的测量。在数据采集系统上进行了试验,验证了方法的可行性,较好的解决了微弱电容的测量问题,提高了系统的抗噪能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 电容层析成像技术的由来
• 1.2.1 两相流及其检测技术
• 1.2.2 流动层析成像技术
• 1.2.3 电容层析成像技术
• 1.3 国内外相关技术的发展现状
• 1.3.1 国外发展和研究现状
• 1.3.2 国内发展和研究现状
• 1.4 课题来源及研究内容
• 第2章 电容层析成像系统的理论研究
• 2.1 电容层析成像系统的组成
• 2.1.1 传感器
• 2.1.2 数据采集部分电路
• 2.1.3 控制单元与成像计算机
• 2.2 传感器尺寸设计
• 2.2.1 传感器尺寸设计
• 2.3 数据采集系统的组成
• 2.4 成像系统
• 2.5 电容层析成像系统的工作原理
• 2.5.1 电容层析成像的数学模型
• 2.5.2 灵敏度分布（敏感场）函数
• 2.6 本章小结
• 第3章 数据采集系统的硬件电路设计
• 3.1 信号发生器
• 3.2 极板转换电路
• 3.3 电容/电压（C/V）转换、电压放大电路
• 3.3.1 本课题电容检测电路的设计
• 3.4 相敏解调电路
• 3.4.1 相关检测电路的工作原理
• 3.4.2 模拟乘法器及工作电路
• 3.5 低通滤波电路
• 3.6 增益可控差动电路
• 3.7 DSP 控制版
• 3.7.1 DSP 的介绍
• 3.7.2 A/D 转换电路
• 3.7.3 D/A 转换电路
• 3.7.4 串口RS232
• 3.7.5 其他相关电路
• 3.8 本章小结
• 第4章 软件设计
• 4.1 下位机软件设计
• 4.2 下位机软件开发环境
• 4.3 主程序
• 4.3.1 耦合电容测量模块
• 4.3.2 静态电容测量模块
• 4.3.3 数据采集模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 数据采集系统实验及分析
• 5.1 测量板线性度实验
• 5.2 数据采集电路建立分析与实验
• 5.2.1 硬件电路建立时间分析
• 5.2.2 实验验证
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢