基于FPGA的电容层析成像检测技术研究

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电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography,ECT)作为最近几十年来重点发展的一种新型的无损检测新技术,拥有无辐射、不会造成创伤、反应速度快等优点。在监督密闭空间内火焰的燃烧情况和流化床等工业领域应用广泛。随着工业技术的发展,现在社会对无损检测技术的测量精确度和反应快速性的要求越来越高。ECT技术的主要应用对象为以非导电性介质为连续相的情况,对电容层析成像中的抗混叠滤波器、解调算法、硬件电路设计等相关技术进行了研究,并构建了一套ECT硬件平台。将气体固体两相模拟出来进行验证,并作为实验对象,测量、分析数据并得到了良好的图像。本文主要研究工作和研究结果如下:1、通过研究几种不同的解调方式,提出了一种基于奇异值分解(SVD)的解调方法,可以替代相敏解调在ECT中的作用。在一组离散样本的基础上构造一个M行N列Hankel矩阵。然后对矩阵进行SVD运算。给出了正弦波幅值与有效奇异值之间的数学表达式;即前两个奇异值用于估计所采集信号的幅值信息。通过数值仿真和实验验证了该方法的解调精度和可行性,表明该方法能够提供较好的信噪比和鲁棒性。2、抗混叠滤波器作为一种低通滤波器(LPF),已经广泛应用于电子仪器中。截止频率和谐振系数是设计滤波器的两个主要参数,而另一个参数,即动态响应的瞬态过程也很重要,因为影响ECT系统数据采集速率的一个重要因素就是滤波器的时间延迟。因此,讨论了抗混叠滤波器的设计,通过理论分析、仿真和实验研究了LPF的阶跃响应,分别讨论了谐振因子、元件参数和LPF阶数对时延的影响,设计并测试了四阶抗混叠滤波器。实验结果表明:改进后的滤波器拥有更快的响应速度和较短的稳定时间。3、通过以FPGA作为主控,打造了一台可用的数据采集硬件平台,该平台通过FPGA产生数字式的正弦波信号,经过外部D/A转换电路和成型滤波器的帮助生成模拟的连续的激励信号,使用C/V信号调理电路和程控放大测量传感器边界电压,探讨了PCB设计需要注意的问题,在持零时间内进行开关动作,度过电路过渡过程。4、测试了硬件平台性能和成像,能够稳定工作且准确的采集到传感器端的电压数据,通过实验验证,硬件平台具有良好性能并具有一定应用价值。
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