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電阻層析成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文檔作者：袁全楊道業(yè) 金月嬌文檔來源：南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年11月24日
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U 1D 第5期 孕強(qiáng) 習(xí)1 眠硒
Instrument Technique and Sensor NO．5
電阻層析成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
袁全，楊道業(yè)，金月嬌
(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院。江蘇南京211816)
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的電阻層析成像系統(tǒng)存在的精度低、穩(wěn)定度差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問題，設(shè)計(jì)了一種新型的ERT測(cè)量系
統(tǒng)。主要從硬件電路設(shè)計(jì)及微弱信號(hào)處理著手，提出了解決方案。硬件部分主要設(shè)計(jì)了激勵(lì)信號(hào)源、電流源電路、電極選
通邏輯控制電路、程控放大、乘法解調(diào)、低通濾波等功能電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ERT微弱信號(hào)的調(diào)理。以STM32F4作為主控芯
片。采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)
精度。
關(guān)鍵詞：ERT；多相流；激勵(lì)信號(hào)源；信號(hào)調(diào)理
中圖分類號(hào)：TP934 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-1841(2016)05-0044-03
Design of Electrical Resistance Tomography System
YUAN Quan，YANG Dao-ye，JIN Yue-jiao
(Institute of Electrical Engineering and Control Science，NanJing University of Technology，Nanjing 211816，China)
Abstract：For the presence of the conventional electrical resistance tomography system accuracy is low，the stability is poor，
the dynamic response is slow．a(chǎn) new type of ERT measurement system was designed．Hardware circuit Was analyzed and weak signal
processing was done in order to solve theses problems．Hardware mainly included the excitation signal source，a current source circult，
electrode gating logic control circuit，a programmable amplification，multiplication demodulator and low—pass filtering function
circuit to solve the ERT weak signal conditioning．Through adopting STM32F4 as the main chip of electrical resistance tomography
system，data acquisition was realized by using a distal conve~er AD7606，which improved the performan ce of the hardware circuit
of data acquisition system，improving the stab ility，real—time perform ance and data accuracy of the system．
Keyword：ERT；muhiphase flow；excitation signal source；signal conditioner
0 引言
電阻層析成像ERT(Electrical Resistance Tomo-graphy)是
一種非常有潛力的兩相流／多相流檢測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)封閉的
管道或容器設(shè)備內(nèi)部多相流物質(zhì)參數(shù)的可視化測(cè)量，具有廣闊
的應(yīng)用前景¨]。它的物理基礎(chǔ)是基于不同的媒介具有不同的
電導(dǎo)率．因而判斷出敏感場(chǎng)內(nèi)物體的電導(dǎo)率分布便可推知該場(chǎng)
中媒介的分布情況。適用于液一氣混合或液一固混合場(chǎng)的信息
測(cè)量，具有信息量大、非侵入性、成本低、安全性好等特點(diǎn)，可以
實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物場(chǎng)分布的在線或離線成像，是一種新型的檢測(cè)
手段 。
1 電阻層析成像測(cè)量原理
基于電學(xué)敏感原理，在測(cè)試場(chǎng)邊界放置電極陣列，采用一
定的方式在電極上施加激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)測(cè)量其他電極處的信
號(hào)．采用一定的成像算法完成對(duì)測(cè)試場(chǎng)內(nèi)電導(dǎo)率分布的二
三維重建圖像。l6電極ERT系統(tǒng)一般采用相鄰激勵(lì)與相鄰測(cè)
量工作模式 3]．如圖1所示，其工作過程是以其中一對(duì)相鄰電
極作為激勵(lì)電極，注入恒定激勵(lì)電流建立敏感場(chǎng)，按照一定旋
轉(zhuǎn)方向依次測(cè)量除激勵(lì)電極外的相鄰電極間電勢(shì)差，獲取電壓
信號(hào)，然后按照旋轉(zhuǎn)方向依次切換激勵(lì)電極獲取其他電極的測(cè)
量電壓．直到所有電極被激勵(lì)和測(cè)量。得到一個(gè)反映管道內(nèi)電
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51106070)
收稿日期：2015—09-16
阻率分布的測(cè)量矩陣，利用該矩陣，通過反演算法，反演出管道
內(nèi)各相物質(zhì)的分布圖像。
激勵(lì)測(cè)量旋轉(zhuǎn)
— — 、、
電壓
電流激勵(lì)』
圖1 ERT 系統(tǒng)相鄰激勵(lì)和相鄰測(cè)量方式
2 電阻層析成像系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
ERT系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。ERT系統(tǒng)通常由4個(gè)主
要部分構(gòu)成。激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生和恒流源電路；傳感器電極陳列控
制激勵(lì)和測(cè)量電極的選通；數(shù)據(jù)的采集和處理，主要是微弱信
號(hào)的調(diào)理包括前置差分放大和高通濾波電路、程控放大電路、
乘法解調(diào)電路和低通濾波電路；圖像重建與顯示，對(duì)采集的數(shù)
據(jù)進(jìn)行處理，獲得被測(cè)物場(chǎng)介質(zhì)分布的二維或三維圖像，并借
助重建圖像或采集數(shù)據(jù)提取物場(chǎng)的特征參數(shù)。
第5期 袁全等：電阻層析成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 45
電極陣列
圖2 電阻層析成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3 ERT系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生
針對(duì)電阻層析成像系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于
CPLD的激勵(lì)信號(hào)源，不需要改動(dòng)外圍電路，可實(shí)現(xiàn)頻率、相位
及幅值可調(diào)。該信號(hào)源主要由3部分構(gòu)成，即CPLD、14位高速
AD9754和低通濾波電路。電路框圖如圖3所示?？刂茊卧獙?
信號(hào)的頻率、初始相位和幅值信號(hào)送至CPLD，CPLD輸出數(shù)字
量由高速AD9754轉(zhuǎn)換為正弦波。輸出波形再經(jīng)低通濾波電路
濾除諧波分量，產(chǎn)生需要的激勵(lì)信號(hào)源。
圖3 激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路框圖
3．2 激勵(lì)電流源電路設(shè)計(jì)
目前，ERT系統(tǒng)都采用電流激勵(lì)、電壓測(cè)量的模式得到場(chǎng)域
內(nèi)的電阻率分布．所以激勵(lì)電流源是ERT硬件電路的源頭，交流
源必須達(dá)到一定的穩(wěn)定精度，如果激勵(lì)源本身就不穩(wěn)定，那ERT
后續(xù)測(cè)量的邊界電壓就不能完全反映場(chǎng)域內(nèi)電阻率的變化 ]。
系統(tǒng)采用以第二代電流傳輸器為基本結(jié)構(gòu)的電流反饋放
大器AD844為核心，構(gòu)建了壓控電流源電路，其中，電流鏡被用
來復(fù)制運(yùn)放的供電電流驅(qū)動(dòng)負(fù)載，具有穩(wěn)定性好。輸出阻抗高
和頻帶寬等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了第二代電流傳輸器功能?；贏D844
的VCCS如圖4所示。運(yùn)放ul作為輸入緩沖．u3作為直流反
饋使得輸出電壓的殘余直流分量為零。輸出電流為
Io= ( )
圖4 電流源電路
3．3 電極選通邏輯控制電路
由ERT系統(tǒng)的測(cè)量原理知道，激勵(lì)電流和測(cè)量電壓要在多
路模擬開關(guān)的控制下不斷地進(jìn)行切換，本論文用相鄰激勵(lì)相鄰
測(cè)量模式，以l6電極ERT系統(tǒng)為例，激勵(lì)信號(hào)首先施加在2個(gè)
相鄰電極上，比如電極1、2，測(cè)量其他相鄰電極對(duì)上的電壓，即
電極對(duì)2-3、3-4? ?15—16、16—1上的電壓；然后切換到下一
個(gè)相鄰電極對(duì)上進(jìn)行激勵(lì)。該切換邏輯具有一定的規(guī)律性，接
口總線共需l6條。激勵(lì)選通電路采用4片MAX306的16選1
的高速模擬開關(guān)。
3．4 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
信號(hào)調(diào)理電路主要是對(duì)測(cè)量電極得到的微弱電壓信號(hào)進(jìn)
行調(diào)理，這部分電路主要包括前置差分放大和高通濾波電路、
程控放大電路、乘法解調(diào)電路和低通濾波電路l5 ]。如圖5
所示
圖5 微弱信號(hào)調(diào)理電路
這些模擬電路在ERT微弱信號(hào)處理中起著非常關(guān)鍵的作
用。ERT系統(tǒng)的電極信號(hào)中由于“極化效應(yīng)”會(huì)帶來直流電壓，
我們只對(duì)38 kHz的正弦交流信號(hào)感興趣．所以需要一個(gè)高通濾
波器將直流去掉。在相鄰電流激勵(lì)模式的ERT電場(chǎng)中，靠近激
勵(lì)電極處，相鄰電極電壓大，遠(yuǎn)離激勵(lì)電極處，相鄰電極之間的
電壓小。ERT電場(chǎng)的這種特點(diǎn)就要求后續(xù)放大電路可以調(diào)節(jié)
增益，采用正弦交流電流激勵(lì)，電極電壓信號(hào)中除了包含與激
勵(lì)電流同頻率的有效信號(hào)外，還包含一些噪聲，如流體流動(dòng)的
振動(dòng)噪聲、工頻干擾引入的噪聲等。經(jīng)過乘法解調(diào)電路得到電
極上的有效電壓信號(hào)，經(jīng)過低通濾波電路得到有效的直流信
號(hào)。經(jīng)過調(diào)理的信號(hào)通過AD7606轉(zhuǎn)換器采集。
4 軟件設(shè)計(jì)
軟件是整個(gè)電阻層析成像系統(tǒng)的重要組成部分。軟件部
分主要完成對(duì)STM32F4系統(tǒng)的初始化，STM32F4系統(tǒng)軟件主
要包括正弦激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生、激勵(lì)和測(cè)量電極的選通、程控放大、
AD7606采樣程序以及RS485通訊程序。STM32F4系統(tǒng)上電后
首先執(zhí)行初始化操作，程序控制激勵(lì)和測(cè)量電極的選通，得到
一幀數(shù)據(jù)，最后把單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。應(yīng)用
Matlab軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，調(diào)用線性反投影LBP算法
獲得被測(cè)物場(chǎng)介質(zhì)分布的二維圖像 ]，并借助重建圖像或采集
數(shù)據(jù)提取物場(chǎng)的特征參數(shù)。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
取內(nèi)徑為180 mm，外徑為200 mm的有機(jī)玻璃管，內(nèi)壁均
勻地嵌上l6個(gè)尺寸為30 mm 、15 mm、0．2 mm的銅矩形電極，
在管內(nèi)裝滿自來水作為連續(xù)相。ERT系統(tǒng)由于其獨(dú)特的傳感
器設(shè)計(jì)和激勵(lì)方式，測(cè)量數(shù)據(jù)分布有明顯的規(guī)律，不同情況下
的數(shù)據(jù)。從圖6和圖7中可以看出所得到的數(shù)據(jù)都遵從相同的
規(guī)律成U型分布。
從上述對(duì)數(shù)據(jù)的分析可以看出，在采集模式下測(cè)得的數(shù)據(jù)
符合ERT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布規(guī)律，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析可以準(zhǔn)確地

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