电容层析成像技术测量电路的设计【开题报告】

毕业设计开题报告

电子信息工程

电容层析成像技术测量电路的设计

1、选题的背景、意义

过程成像(PT:PROCESS TOMOGRAPHY)技术是近年来才发展起来的一种两相或多相流测量技术,其优点是利用被测物体外部的检测信息,获得被测物体内部变化∕高速流状态。过程成像经常使用特殊方法设计的探测器,通过非侵入式的方法取得被测两相流或多相流介质的场(如电磁场)信息,可以根据场的信息和被测物体的作用原理,应用数学的方法重建两相流或多相流在管道内或反应装置的内部的横截面上的动态分布的情况。在我们日常生活中，过程成像可用于研究化工、石油等各种固体、气体的物料输送管道中的气或固两相流和气或固或液多相流得流态化、反应、扩散以及混合等动态过程,以监控反应器中气泡的分布和大小以及反应器中气泡的破碎和合并等过程；通过工业过程中的建立的模型,研究反应器中反应速率、质量传递以及热量传递的关系,提高反应器的选择性、转化率以及安全性等[1]。

电容层析成像技术（ECT）是医学CT技术在工业流动过程上的改革与发展，是目前用来解决多相流参数测量难度大的最新手段。ECT(Electrical Capacitance Tomography)是在应用于多相流参数检测的一种新型技术,原理是依靠检测非导电物场内介质分布变化引起的电容值的变化,通过某种图像重建算法来反演物场内的介质分布,从而实现对两相流参数的测量。工业过程成像技术中，电容的成像技术（ELECTRICAL CAPACITANCE TOMOGRAPHY,简称ECT）以它廉价、高速和非辐射等特点，在近十几年来获得很大发展[2]。

其实，早在二十世纪八十年代中期，以英国曼彻斯特理工大学BECK M S教授为首的研究小组就已经提出了“流动成像”（FLOW IMAGING）得概念，并研制成功了8电极的电容成像系统。在国外，美国能源部MORGANTOWN研究中心几乎与BECK的研究小组同时发明出了一种在线监测流化床中空隙率分布的16电极电容的成像系统（CAPACITANCE IMAGING SYSTEM,简称CIT），该系统可用于对流化床内物料密度三维分布地监测。电容成像的技术应用于工业上的多种需要进行多

相流监测的场合，比如，气∕固、气∕液、火焰等监测[3]。

但目前ECT系统的测量精度、重建图像质量、速度还不尽人意。为满足电容层析成像系统对电容测量的相当苛刻的要求，用来对电容进行测量的电容/电压转换电路设计成为难点[3]。本文具体分析了电容测量的问题，在研究多种电容测量电路的基础上，提出了较高精度的电容/电压转换电路。

2、相关研究的最新成果及动态

为了提高层析成像的成像系统的临时性、测量准确度和图像的品质,多机理、多模型的层析成像技术将是未来发展的一大主流,也就是对同一系统采用两种或两种以上的成像技术对其进行同时监测,通过增添信息量以扩展系统的适用范围和测量准确度。在国外，英国大学已初步建立起了ECT、ERT和超声成像多模态测量装备,同时开展多相流的测量实验。而在国内方面,天津大学开展起了“ECT/ERT电阻抗双模态层析成像”的研究,并取得了一定的成果[4]。

ECT系统用电容测量电路的研究已取得重要进展。有两类能抑制杂散电容的电容测量电路最为常用：一类是直流充放电电容测量电路；另一类是交流法电容测量电路.直流充放电电容测量电路典型分辨率是0.3fF。它的优点是抗杂散电容、电路简单、成本低。它的缺点主要是采用直流放大有漂移以及cmos开关的电荷注入效应影响了充电放电C-V电路的性能,使得电路的抗杂散性能下降。交流法电容测量电路被公认最好的一种。因为它克服了直流冲/放电型所固有的缺点,比如受注入电荷影响、直流漂移,灵敏度较低等。可抑制杂散电容,低漂移、高信噪比[5]。

由于电容成像系统电容传感器不同极板组合之间的电容值通常在 1.0pF以下，属于微电容测量范围，因此要求测量电路具有以下几方面得特性[6]：（1）首先要求抗分布电容能力。电容传感器各电极和屏蔽罩之间以及用于连接电极和测量电路的同轴电缆与“地”之间均存在分布电容，他的量值通常在几十到上百pF，远远大于了被测电容值，因此为了准确测出被测电容值，测量电路必须具有克服分布电容影响的能力。

（2）然后也要求做到大量程及高灵敏度。电容传感器任意两个极板组合构成一个两端子的电容，并且相邻极板之间和相对极板之间的电容值相差较大，在相邻极板之间最大电容的变化值可达上百pF，但相对极板间最大电容变化值只

有几pF，因此测量电路应具有高灵敏度及较大量程。

（3）同时要有低漂移和高信噪比。工业现场往往具有较强环境噪声，因此要求测量电路具有较低的漂移和较高信噪比，使整个系统具有好的稳定性。

（4）最后要有电容层析成像系统的应用对象通常为快速变化的工业过程，为保证实时性，测量电路必须具有较快的响应速度。

目前的电容成像微电容测量的方法包括其充放电法、有源差分法、交流法等等。其中充放电法和有源差分法电路结构较简单，但电路稳定性不好，信噪比也较低；交流激励方法由于信噪比和稳定性都较高，目前在电容成像中应用较多[7]。

由于过程成像技术的非侵入式的动态检测特点和潜在的应用前景,在国外，欧洲过程成像研究小组开始从1992年起每年召开一次题为ECAPT(the European ConcertedAction on Process Tomography)地会议,其目的在交流最新研究成果,探讨过程层析成像技术的发展方向[8]。过程成像的技术研究,旨在研发新一代智能化实时检测系统,将工业过程动态信息与流体动力学模型相结合,建立更加符合实际工艺的过程模型,更进一步得优化工业过程结构和参数设计,以改进工艺的过程和提高生产效率和生产安全性[9]。

3、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标

（1）研究内容

1、对 ECT系统的基本构成、发展现状以及存在的一些问题进行了解，分析其工作原理；

2、发现电容测量中存在的主要问题，研制出高精度的电容电压转换电路，分析其电路的抗杂散电容的效果，在实验的基础上优化电路；

3、设计ECT数据采集系统硬件控制电路，并对其中的主要部分的组成进行实验；

4、对ECT系统进行静态特性、灵敏度和线性的实验，进行分析，对结果进行比较。

（2）研究方法

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomo2graphy,ECT)的技术的基本原理是:位于管道内部的两相流,其各相介质具有不同的介电常数,两相流在流动时,