12电极电容层析成像数据采集系统的设计及软件开发

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,已发展成为一门重要的两相流参数检测技术。但ECT技术为了应用于实践,还有一些有待完善的地方,如:微弱电容检测、改善系统的抗干扰性能等方面。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;通过有限元仿真得到的电容值仿真参数,设计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,建立了前项补偿消除耦合电容的理论模型,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;分析串口实现下位机与上位机通信的可行性,有效性;采用DSP芯片为核心控制芯片,编写下位机软件,实现对数据采集系统的控制及与上位机的串口通信编写上位机程序,实现对数据的接收与保存。最后,在数据采集系统上进行试验,验证了方法的可行性,系统的精度达到了0.49974V/pF,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 课题研究的目的和意义
• 1.2 电容层析成像的相关概念
• 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 数据采集系统的理论研究
• 2.1 电容层析成像的工作原理
• 2.2 ECT 系统的组成结构
• 2.2.1 传感器
• 2.2.2 数据采集部分电路
• 2.2.3 控制单元与成像计算机
• 2.3 传感器尺寸设计及仿真分析
• 2.3.1 传感器尺寸设计
• 2.3.2 对传感器的电容值进行仿真
• 2.4 交流法电容测量电路
• 2.4.1 交流测量的基本原理
• 2.4.2 电路中的问题
• 2.5 采用相敏解调原理
• 2.5.1 电容测量及交流放大电路
• 2.5.2 相敏解调的过程
• 2.5.3 相敏解调对噪声的抑制
• 2.6 相敏解调下的前项补偿
• 2.6.1 前项补偿的概念
• 2.6.2 测量电容的分析
• 2.6.3 相敏解调下前项补偿的设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 数据采集系统的硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 电容测量板（被控制板）
• 3.2.1 测量板参数确定
• 3.2.2 交流测量及放大电路
• 3.2.3 解调与滤波
• 3.2.4 信号发生器及增益放大
• 3.2.5 极板选择电路
• 3.2.6 差分放大电路
• 3.2.7 前项补偿电路
• 3.3 DSP 控制版
• 3.3.1 DSP 的介绍
• 3.3.2 本系统涉及的主要功能模块
• 3.3.3 DSP 对测量板的控制
• 3.4 本章小结
• 第4章 软件设计
• 4.1 下位机软件设计
• 4.1.1 下位机软件开发环境
• 4.1.2 补偿电容的测量
• 4.1.3 电容变化量的测量
• 4.1.4 数据通信及主程序
• 4.2 上位机软件设计
• 4.2.1 软件开发环境及技术
• 4.2.2 串口参数设置及测试连接部分
• 4.2.3 实时采集部分
• 4.2.4 历史数据再现部分
• 4.3 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 耦合电容补偿与系统稳定性分析
• 5.3 数据采集电路建立分析与实验
• 5.3.1 硬件电路建立时间分析
• 5.3.2 实验验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢