多激励模式的电磁层析成像系统_刘泽

和虚部。实部解调信号、虚部解调信号、 激励场基准信号、
补偿信号在软件的控制下分别与 DDC正弦波发生器产
生的正弦和余弦信号作乘法解调 ,解调结果经 A / D转换 送入计算机 ,由计算机计算信号的模和相位信息。
以 正、 余弦 信 号 作为 解 调 正交 基 的 解 调过 程 简 述
如下:
假设被测信号为:
2 EMT的基本原理
EM T 系统通过对被测空间施加多角度的激励磁
本文于 2000年 7月收到 , 系国家自然科学基金 ( 69574021)、 ( 59877018)资助项目。
第 6期
多激励模式的电磁层析成像系统
6 15
场 ,同时检测各角度下被测空间边界上磁场的变化以
获得空间中导磁物质和导电物质的分布信息 [2 ]。 图 1
( 5)
其它 ,
·
Im= I si n(φm - p 0 )
( m= 1, 2,… , N, p= 1, 2,… , N- 3)
其中 , d可以是 1, 2,… , N- 1间的任一整数。似平行场 激励可理解为平行场与单线圈激励磁场的叠加 ,所以
各个激励方向是相互独立的。
3. 3 EMT系统信号解调
1 引 言
性电路板阵列作为激励系统 ,在不改变硬件电路的前
提下 ,可通过软件控制实现单线圈激励、平行场和似平
电 磁 层 析 成 像 ( Electrom ag netic To mog raphy, EM T )是一种近十年发展起来的基于电磁感应原理的 新型过程层析成像技术 [1 ] ,它可以同时获得物场空间 导电率和导磁率的分布信息 ,并具有测量时非浸入和 非接触的特点 ,可用于含有导电率和导磁率物质的工 业两相流或多相流的在线检测 ,因而有广泛的应用前 景。目前国内外已有的电磁层析成像系统有两种: 单线
第 22卷第 6期 仪 器 仪 表 学 报 2001年 12月
多激励模式的电磁层析成像系统
刘 泽 何 敏 徐苓安 熊汉亮 (天津大学电 气自动化及能源工程学院 天津 300072)
摘要 根据理论分析和仿真研究提出并 实现了一种多激励模式的电磁层析成像系统 ,为研究不同 激励模式的优缺点和 传感器的优 化设计提供了条件 ,在此系统中实现的似平行场激励模式由于增加了独立 的投影方向数 ,并具有较均匀的 灵敏度分布 ,而提高了重 建图像的质量。为了获得多个激励方向各检测信号的实部和虚 部 ,作者提出了一种基于相位反馈搜索的正交解调方 法 ,提高了系统 信号处理的实时性。 关键词 电磁层析成像 ( EM T ) 传感器 激励系统 信号解调
sensor desig n. The quasi-parallel ex ci tatio n scheme, w hich is i mpl em ent ed i n this syst em , im prov es the quali ty
o f reco nst ructio n im ag e because i t increases the num ber of independent projections and produces relativ ely ev en
ρ(ρ·
μ-
1(ρ,
)
ρA )+
ρ12 μ- 1(ρ,
)
2 A2 = jωσ(ρ,
)·
A
A(ρ ) ρ
ρ=
=
R
μ2I(
)
( 1)
其中: A代表了矢量磁位 ; I(Υ)是激励电流 ; ρ和 Υ分
别是管道空间极坐标的模和幅角。
为使系统成为一个空间独立的系统 ,激励电流必
须满足:
∫2π I( ) d = 0 0
由软件控制解调信号相位 ,搜索 Rxy (τ)的极值点 , 当两个信号的相关系数为 1时 ,相位相同 ,当两个信号
的相关系数为 0时 ,相差为 90°。 锁定 Rxy (τ)获得极值 点时解调信号的相位控制值 ,作为解调时的控制相位。
在确定了不同激励方向下各检测信号的基准相位
后 ,再采用正交解调方法 ,可实时地解调被测信号的实部
线圈在圆周上所处的位置。 由检测信号和物场的灵敏
度信息 ,通过图像重建算法便可确定空间中具有电磁
特性的物质的分布信息 ,进一步可提取物场的分相含
率、流速、各相分布等信息 ,为工业两相流 /多相流在线 检测提供解决方案。
Fra Baidu bibliotek
3 多激励模式的 EMT系统
3. 1 多激励模式 EMT系统结构 图 2是多模式激励 EM T 样机的原理框图 , 系统
直流分量 MR 和虚部直流分量 MI:
图 3 信号解调理论与实 验数据比较
∫ M R=
1 T
T
0 fR ( t ) dt=
1 2
Aco s
( 8)
∫ MI=
1 T
perfo rmance of si gnal processing i s enha nced.
Key words Elect ro magnetic t omo graphy Sensor Exci tati on system Demodula tion
台多模式激励的 EM T 样机 ,样机采用微机控制的柔
行场激励三种模式 ,为比较各种激励方式的优缺点 ,实 现传感器优化设计提供了基础。实验证明由文献 [ 4]提 出的似平行场激励模式 ,由于增加了独立投影方向数 和改善了灵敏度分布而提高了图像重建的质量。 针对 EM T 系统检测信号在不同激励方向各检测线圈有不 同的幅度变化和相位变化 ,作者提出了一种基于相位 反馈搜索的信号解调方法 ,并结合基于正交信号解调
( 2)
因此检测线圈的感应信号 Vd 为:
Vd =
-
ddΧt =
- n·
d( B· dt
S) =
-
n·
d( A· dt
l)
( 3)
= - n· jωl· [ A( r, 1) - A( r, 2) ]
其中: Χ 为通过线圈的磁通 ; n、 S和 l 分别为检测
线圈的匝数、面积和沿管道轴向的长度 ; 1、 2是检测
包括传感器部分、磁场激励部分、信号采集与 处理部 分、计算机控制接口部分和图像重建部分。
为实现样机的模块化设计 ,传感器磁场激励柔性 印刷电路板和检测线圈以及检测前置放大电路集成为 传感器模块 ,激励控制电路、解调及信号采集电路集成 为信号处理模块 ,计算机系统和接口电路成为图像重 建模块。 为隔离计算机高频数字信号对 EM T 系统的 干扰 ,在计算机系统与激励解调系统之间采用了全光 电隔离。
莫合金构成的电磁屏蔽层。激励极板阵列由 32个均匀 分布的极板构成 ,改变极板的电流分布可实现不同的
激励方式。 假设: 1) EM T的敏感场成二维分布即矢量
磁位仅有管道轴向的分量 ,且遵循稳态场的规律 ; 2)被 测物体是线性和各向同性的 ; 3)采用正弦波激励。其电
磁敏感场满足公式 ( 1)。
1 ρ
f ( t) = Acos(ωt+ ) 经过以正余、弦信号正交解调 ,输出的实部和虚部
分别为 fR ( t )和 fI ( t ):
fR ( t ) = Acos(ωt+ ) co s(ωt )
fI ( t ) = Acos(ωt+ ) sin(ωt)
( 7)
经四阶巴特沃斯低通模拟滤波器输出分别为实部
Im= Isi n 0 ( 4)
Im+ d= - Isin 0 其中 , m= 1, 2,… N
d 为 极板 间隔 数 ( 2)平行场激励 [ 2] 在 N 个电极同时施加大小在 圆周上呈正弦分布的激励电流 , 当 p从 0变到 N- 2 时 ,可以获得 N- 1个不同方向的平行磁场。但这种可 旋转的平行激励磁场可由正交的两个投影方向的激励
图 2 EM T 系统结构图
3. 2 多模式激励系统 在多模式激励 EM T 样机中 ,通过软件控制激励
极板上的电流分布 ,可产生单线圈激励、平行场激励和 似平行场激励三种模式 ,这为研究不同激励方式的优 缺点提供了条件。
样机激励系统由传感器激励极板阵列、激励信号 分配电路、激励信号产生电路构成 ,激励控制电路可按 需要将各极板组成激励线圈组 ,对各激励线圈组施加 不同大小和方向的电流 ,从而形成各种激励场。为提高 系统的电磁兼容性并增强物场空间内的激励 磁场强 度 ,激励线圈的外层采用高导磁不导电的铁氧体和高 导电不导磁的波莫合金作为电磁屏蔽层。 三种激励模 式的实现如下:
Abstract A ki nd of multi-mode exci ta tio n EM T system is bui lt based on theo reti cal ana lysis and simulatio n
st udy. It can be used t o st udy the adv antag es a nd disadva nt ag es of di ff erent excit atio n modes a nd opti mi ze the
( 1)两极板激励场 每次只有两个极板 m 和 m+ d 通入大小相同、方向相反的电流 ( d= 1,… , N- 1) , 其它极板不通入电流 ,当 m 从 1变到 N- 1时 ,可获得 N - 1个不同的激励电流分布。 这种激励磁场为非线 性场 ,其中任何一个激励方向的激励场不能由其他方 向线性合成 ,所以各投影方向独立。
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仪 器 仪 表 学 报
第 2 2卷
场叠加 ,所以只有两个独立投影方向。
( 3)似平行场激励 [1 ] 激励电流分布如下:
当 m= p时 ,
·
Im= I [ 1+ si n(φm - p 0 ) ]
m= m od( p+ d, N )时 ,
·
Im= I [ - 1+ si n(φm - p 0 ) ]
按一定步长调整 ,对于每一步 ,记录调整过程中不同相
位点解调信号与基准信号经乘法器和滤波器 的输出
值。 这一输出值可反映被测信号与基准信号的相关性
Rxy (τ) ,如公式 ( 6)所示。
∫ Rxy (τ) =
lim
T→∞
1 T
T
x ( t ) y ( t+
0
τ) dt
( 6)
其中: x ( t )为基准信号 , y ( t+ τ)为调相信号 ,τ为两个 信号的相差。
是一个直径为 70m m的圆形管道 EM T 系统传感器截
面的俯视图。
图中最内层为管
道壁 ,管 道壁外层 为
测量边界磁场的检测
线圈 ,由 8个沿管 道
外壁等距离分布的精
密线圈构 成 ,用来 完
成边界条件的测量 , 向外依次为由柔性电
图 1 圆形管道 EM T 传感系统
路板构成的激励极板 阵列和由铁氧体和波
di st ributi on o f sensi tivi t y. Fo r acqui ri ng bo th real part and im agi na ry par t of det ectio n sig nal a ki nd of
o rthog onal dem odulati on metho d based o n phase f eedback search is presented. Usi ng t hi s method the real-tim e
在 EM T 系统中 , 不同激励方向下的各检测线圈 相位变化不同 ,为确定解调的基准相位作者提出了一
种基于相位反馈搜索的信号解调方法 ,并应用基于正
交信号解调的方法完成了 EM T 检测信号实部和虚部
的实时解调。
基于相位反馈搜索的解调方法是让被测信号与解
调信号作模拟乘法 ,使解调信号的相位在一个周期内
Multi-mode Excitation Electromagnetic Tomography ( EMT) System
Li u Ze He Mi n Xu Ling an Xio ng Hanlia ng
( School of Electrical Engineering and Energy , Tianjin Univ ersity , Tianjin 300072 )
圈激励的 EM T 系统和空间正交平行场激励的 EM T 系统 [3 ]。前者敏感场分布极不均匀 ,在物场空间中心处 的灵敏度很低 ;后者虽然具有较高的中心检测灵敏度 , 但只有两个独立的投影方向 ,影响了图像重建的质量。
在理论分析与仿真研究的基础上 ,作者开发出一
的方法 ,实现了检测信号实部和虚部的实时解调。