【摘 要】
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电容层析成像技术（Electrical Capacitance Tomography）是通过测量极板间电容分布情况获取被测对象在密闭空间中的二维或三维分布的自动化检测技术。相比于放射式层析成像以及视频监测等测量方式,ECT技术具有测量成本低、安全性高以及非破坏性等诸多优势。由于二维ECT测量系统获取空间信息能力不足,限制了该技术在工业现场的应用。因而三维ECT以其更强的空间信息获取能力受到了越来越
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电容层析成像技术（Electrical Capacitance Tomography）是通过测量极板间电容分布情况获取被测对象在密闭空间中的二维或三维分布的自动化检测技术。相比于放射式层析成像以及视频监测等测量方式,ECT技术具有测量成本低、安全性高以及非破坏性等诸多优势。由于二维ECT测量系统获取空间信息能力不足,限制了该技术在工业现场的应用。因而三维ECT以其更强的空间信息获取能力受到了越来越多的关注。其中直接三维ECT激励方式测量效果显著,是三维ECT技术的主要发展方向。在针对直接三维ECT的众多研究中,直接三维ECT硬件测量系统研究是技术实现的关键所在。由于直接三维ECT技术使用的传感器相比于二维电容传感器极板间电容值更低,被测对象动态范围更大。故测量系统设计时需要着眼于传感器优化、微小电容测量电路设计、控制电路设计以及信号发生与采集电路设计等多个方面来提升系统的测量能力。为此本文进行了以下工作:（1）传感器屏蔽极板阵列结构分析与设计。基于直接三维ECT传感器等效阻抗结构,对传感器屏蔽极板阵列进行设计,实现降低传感器本体电容,提高传感器抗干扰能力的目的;设计传感器并完成传感器制作。（2）微小电容测量电路及解调算法设计。通过对微小电容测量电路构型的理论推导和数值仿真以及利用实验室现有电路模型进行实验测试,分析测量电路构型的信号特性及电路误差来源,以此为依据提出并设计离散化数字相敏解调算法提升解调精度。（3）直接三维ECT测量系统的硬件实现。提出离散化数字信号采集方案及零位开关控制逻辑;依据控制逻辑以及解调算法对系统提出的并行控制需求,设计基于FPGA的模块化直接三维ECT测量系统电路并制板调试,实现测量系统硬件的搭建。（4）直接三维ECT测量系统的软件实现。完成直接三维ECT测量系统FPGA测量控制状态机编写及调试;设计FPGA与STM32通讯接口以实现双处理器间的数据传递;配置STM32实现通讯中继功能。完成直接三维ECT测量系统上位机采集程序的编写及调试。本文最终完成直接三维ECT测量系统的整体构建。相对原有模拟乘法器解调系统该直接三维ECT测量系统,通过调理输入信号增益,将采样信号的输入动态范围衰减至源信号动态范围的59%;通过数字解调算法将理想系统测量信噪比由原系统的10.3dB提升至23.8dB,测量系统电容分辨力0.035pF;通过对极板切换控制电路的优化设计,将测量系统单个极板对的测量时间由模拟解调系统的1ms/pair提升至现有测量系统的0.05ms/pair。经实验验证,本课题所构建的实验系统满足了直接三维ECT测量技术对系统的要求。为后续成像算法研究构建了可靠的模块化硬件测量平台。
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