CN100512751C

CN100512751C - 一种用于电阻抗成像的增量放大式信号测量装置

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Publication number: CN100512751C
Application number: CNB2007100927455A
Authority: CN
Inventors: 何为; 何传红; 张占龙; 罗辞勇; 毛玉星; 熊兰; 徐征
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: CN101125080A

Abstract

本发明涉及一种用于电阻抗成像的增量放大式信号测量装置，包括电极阵列(1)、开关阵列(2)、信号发生电路(3)、模数转换电路(4)、电压/电流变换电路(5)、电压幅度调节电路(6)、电压滤波放大电路(7)、差分运算电路(8)和中央控制处理电路(9)。装置具有将电极和测量电路设置在一起的探头盒，极大的缩短了测量电路与电极之间的距离，减少了导线分布电容、分布电感以及各种电磁干扰对信号测量的不利影响。由于采用增量放大测量，仅使用较低分辨率模数转换器就能获得较高的测量精度。

Description

一种用于电阻抗成像的增量放大式信号测量装置

技术领域：

本发明涉及一种信号测量装置，特别是涉及一种用于电阻抗成像的增量放大式信号测量装置。

背景技术：

在电阻抗成像技术中，一般采用向被测对象施加激励电流同时检测其表面电位的方式。激励电流的注入和表面电位的拾取通过与被测对象直接接触的一组电极实现。在特定的电流激励模式下，被测对象表面的电位分布取决于该被测对象内部的电导率分布，也就是说被测对象表面电位包含了其内部电导率的信息，由此通过特定的算法可以逆推得到被测对象内部的电导率分布，从而实现电阻抗成像.

但是被测对象表面电位分布对其内部电导率分布的灵敏度很低，由此导致了电阻抗成像逆问题即图像重构具有严重的病态性，这将严重影响最终的成像质量。解决这一问题除了直接从逆问题着手改进图像重构算法外，向被测对象施加精确的激励电流并准确测量其表面电位也是电阻抗成像质量的必要保证。

在现有的电阻抗成像系统中，通常将电极与测量电路分离，它们之间通过一段较长的电缆线连接.这种方式对激励电流的注入和表面电位的测量都会带来不利影响。一方面，电缆线的分布电容和分布电感将导致激励电流产生衰减，而衰减量不可控，这样将无法保证精确的激励电流注入；另一方面，较长的电缆线容易耦合各种干扰，而被测对象表面的电压本身就很微弱，这使得电压的准确测量变得更加困难。

具体来讲，电压测量需要获取被测电压的幅度和相位信息，这一过程通常也称为解调。电阻抗成像的信号解调方法分为模拟解调和数字解调两种，目前最常用的是数字解调。在这种解调方式下，模拟电压信号经过适当的处理后就由模数转换器变成数字信号，然后用数字解调算法求出被测电压信号的幅度和相位；数字相敏解调(DPSD)是一种最为常用的解调算法。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的上述问题，提供一种用于电阻抗成像的增量放大式信号测量装置，它在具有较高的测量精度的同时，降低了装置的成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案方案是这样的：即一种用于电阻抗成像的增量放大式信号测量装置，包括壳体、电极阵列、开关阵列、信号发生电路、模数转换电路、电压/电流变换电路、电压幅度调节电路、电压滤波放大电路、差分运算电路和中央控制处理电路；其特征是：

(a)电极阵列中具有与电压/电流变换电路的激励电流输出端连接的一对电流激励电极，及输出端与电压滤波放大电路连接的测量电极；由中央控制处理电路控制开关阵列切换电极阵列中的电极与电压/电流变换电路的激励电流输出端连接或与电压滤波放大电路连接，从而依次改变电流激励电极和测量电极的位置，一次完整的测量将得到n×(n-3)个电压值，其中n为电极阵列中电极的个数；

(b)信号发生电路产生单频或多频的电压信号，分成两个部分：激励信号发生电路产生激励信号，该信号经电压/电流变换电路变成激励电流信号向电流激励电极输出；参考信号发生电路产生与激励信号同频的参考电压信号，该信号经电压幅度调节电路调节幅度后作用于差分运算电路；通过中央控制处理电路的调节使参考信号与激励信号之间维持特定的相位差；

(c)电压滤波放大电路对信号电压进行滤波和放大处理，包括两个部分，其一是基础信号电压放大滤波电路，处理测量电极直接感测到的被测对象的表面电位信号电压，并将输出的基础信号电压分别送往差分运算放大器和经模数转换电路后送往中央控制处理电路；其二是差分信号电压放大滤波电路，处理增量信号电压；通过可变程增益放大器调节电压放大倍数以适应不同幅度的信号，放大倍数由中央控制处理电路控制；所述基础信号电压放大滤波电路将基础信号电压送入差分运算放大器，由其获得基础信号电压与参考信号间的增量，然后将该增量送入差分信号电压放大滤波电路进行放大和滤波，经模数转换后送往中央控制处理电路；

(d)经模数转换后进入中央控制处理电路，中央控制处理电路利用数字相敏解调(DPSD)算法求取增量信号的幅度和相位，最后将基础信号与增量信号叠加，得到最终的电压测量值，并将该值向计算机输出。

上述电极阵列与被测对象直接接触，激励电流通过电极注入被测对象，表面电位信号也通过电极感测。本发明装置可为手持式结构，具有将电极和测量电路设置在一起的探头盒，电极阵列中的电极的接线端直接安装在位于探头盒内的电路板上与对应的电路连接，其测量端外露于探头盒。

本发明装置由于上述结构而具有以下特点：

1)具有将电极和测量电路设置在一起的探头盒，极大的缩短了测量电路与电极之间的距离，减少了导线分布电容、分布电感以及各种电磁干扰对信号测量的不利影响。

2)采用增量放大测量方法，仅使用较低分辨率模数转换器就能获得较高的测量精度.该方法首先测量得到一组参考信号，然后将被测电压信号与参考信号间的差值(增量)进行放大和滤波，经模数转换后进入数字信号处理单元，数字信号处理单元利用数字相敏解调(DPSD)算法求取增量信号的幅度和相位，最后将参考信号与增量信号叠加得到被测信号的幅度和相位值.增量信号反映了被测信号的微小变化，将增量信号放大则突出了微小的变化量，这样仅用较低分辨率的模数转换器就能检测被测信号的微小变化，提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的工作流程图；

图3是本发明实施例中采用的探头盒示意图；

图4是本发明实施例中采用的开关阵列；

图5是本发明实施例中采用的信号发生电路；

图6是本发明实施例中采用的模数转换电路；

图7是本发明实施例中采用的电压/电流转换电路；

图8是本发明实施例中采用的电压幅度调节电路；

图9是本发明实施例中采用的电压滤波放大电路；

图10是本发明实施例中采用的差分运算电路；

图11是本发明实施例中采用的中央控制处理电路。

具体实施方式

参见附图1，图中的一种用于电阻抗成像的增量放大式信号测量装置，包括壳体、电极阵列1、开关阵列2、信号发生电路3、模数转换电路4、电压/电流变换电路5、电压幅度调节电路6、电压滤波放大电路7、差分运算电路8和中央控制处理电路9；其特征是：

(a)电极阵列1中具有与电压/电流变换电路5的激励电流输出端连接的一对电流激励电极，及输出端与电压滤波放大电路7连接的测量电极；由中央控制处理电路9控制开关阵列2切换电极阵列1中的电极与电压/电流变换电路5的激励电流输出端连接或与电压滤波放大电路7连接，从而依次改变电流激励电极和测量电极的位置，一次完整的测量将得到n×(n-3)个电压值，其中n为电极阵列1中电极的个数；

(b)信号发生电路3产生单频或多频的电压信号，分成两个部分：激励信号发生电路31产生激励信号，该信号经电压/电流变换电路5变成激励电流信号向电流激励电极输出；参考信号发生电路32产生与激励信号同频的参考电压信号，该信号经电压幅度调节电路6调节幅度后作用于差分运算电路8；通过中央控制处理电路的调节使参考信号与激励信号之间维持特定的相位差；

(c)电压滤波放大电路7对信号电压进行滤波和放大处理，包括两个部分，其一是基础信号电压放大滤波电路71，处理测量电极直接感测到的被测对象的表面电位信号电压，并将输出的基础信号电压分别送往差分运算放大器8和经模数转换电路后送往中央控制处理电路；其二是差分信号电压放大滤波电路72，处理增量信号电压；通过可变程增益放大器调节电压放大倍数以适应不同幅度的信号，放大倍数由中央控制处理电路9控制；所述基础信号电压放大滤波电路71将基础信号电压送入差分运算放大器8，由其获得被基础信号电压与参考信号间的差值(增量)，然后将该差值送入差分信号电压放大滤波电路72进行放大和滤波，经模数转换后送往中央控制处理电路；

(d)经模数转换后进入中央控制处理电路，中央控制处理电路利用数字相敏解调(DPSD)算法求取增量信号的幅度和相位，最后将基础信号与增量信号叠加，得到最终的电压测量值。

参见附图3，在实施例中，装置具有将电极和测量电路设置在一起的探头盒，电极阵列中具有16个电极，电极的接线端直接安装在位于探头盒内的电路板上与对应的电路连接，16个电极的测量端呈直线均匀外露于探头盒。

本发明实施例中采用的开关阵列电路2如图4所示。由4片16选1的模拟开关集成电路MAX336CAI构成，其中U1和U2用于选择激励电极，U3和U4用于选择电压测量电极。4个模拟开关的N01～N016均连接到电极阵列的第1～16号电极。U1和U2的COM端连接到电压/电流转换电路，激励电流从这两个COM端经模拟开关流到被选择的激励电极实现对被测对象对电流注入。U3和U4的COM端连接到电压滤波放大电路，实现某两个电极之间电压的测量。模拟开关的切换控制端A0～A3连接到中央控制处理电路。

本发明实施例中采用的信号发生3电路如图5所示。信号发生电路由现场可编程门阵列(FPGA)芯片和双通道高速数模转换芯片构成。FPGA可选用ALTERA或是XILINX公司的芯片，比如ALTERA的CYCLONE II。双通道高速数模转换芯片可选用ADI或TI等公司的产品，比如TI的DAC2902。FPGA内部实现两路直接数字合成器(DDS)DDS1和DDS2以及与中央控制处理电路通信的SPI接口。中央控制处理电路通过SPI接口将控制激励信号和参考信号的数据传送给FPGA，FPGA控制DDS1和DDS2产生特定频率和相位的数字波形信号，然后经双通道数模转换芯片转换成模拟激励信号和参考信号。即实现激励源1kHz～10MHz频率、幅度1mA的调节。

本发明实施例中采用的模数转换4电路如图6所示。核心器件是双通道高速模数转换芯片AD9238，12bit分辨率，最高转换速度可达65Msps。一个通道用于检测基础信号电压，另外一个通道用于检测差分信号电压。每个通道有独立的数字信号线连接到中央控制处理电路。

本发明实施例中采用的电压/电流变换电路5如图7所示。电路采用典型的HOWLAND电压电流转换电路结构，以两片双高速运算放大器AD8066为核心构成。此电路接受来自于信号发生电路的电压信号，经变换后输出激励电流到开关阵列电路。

本发明实施例中采用的电压幅度调节电路6如图8所示。电路由数字电位器MCP41050和高速运放OPA2350为核心构成。其中，由高速运放OPA2350及其外围原件构成低通滤波器，输入信号电压经滤波后，经数字电位器分压调节幅度，然后再经过由高速运放OPA2350及其外围原件构成的滤波电路缓冲输出。数字电位器由中央控制处理电路通过SPI接口控制抽头位置，从而控制输出电压的幅度。

本发明实施例中采用的基础信号电压滤波放大电路72如图9所示。电路由可编程增益放大器MCP6S21和高速运算放大器OPA2350为核心构成。来自开关阵列的测量信号电压经MCP6S21以特定增益放大后再通过OPA2350构成的低通滤波器滤波输出，并分别送往差分运算电路8和模数转换电路4。可编程增益放大器的增益由中央控制处理电路通过SPI接口控制。

差分信号电压放大滤波电路72采用和上述基础信号电压滤波放大电路71相同的电路结构，其输入端接收来自差分运算电路8输出的增量信号，其低通滤波器滤波输出端通过模数转换电路4连接中央控制处理器电路9。

本发明实施例中采用的差分运算电路8如图10所示。电路由高速运放OPA2350构成差分运算放大器。基础信号与参考信号相减得到差分信号输出。

本发明实施例中采用的中央控制处理电路9如图11所示。电路由FPGA和数字信号处理器(DSP)为核心构成。FPGA部分与前面所述的信号发生电路3共用同一个芯片，DSP选用TI的TMS320F2812芯片。DSP通过SPI接口与FPGA通信，间接控制模数转换电路。FPGA直接与模数转换电路连接，转换得到的数字信号传送给DSP处理。DSP的SPI接口同时还要控制开关阵列、电压幅度调节及电压滤波放大等电路。采样得到的数字信号经DSP处理得到电压测量值，然后通过主机接口传给计算机，计算机利用这些数据执行重构算法得到被测对象电阻率的分布，实现完整的电阻抗成像功能。

本发明装置的工作流程如附图2所示。

整个测量过程分成两个阶段：预测量阶段和正式测量阶段。预测量阶段得到一组参考信号的信息。正式测量阶段利用预测量获得的参考信号通过差分运算得到增量信号，同时测量基础信号和增量信号，最后由中央控制处理电路合成实际的被测电压信号。由于电极与被测对象表面接触阻抗的影响，一般来讲电流激励电极的电压均不测量。以相邻测量模式为例，设电极数量为n(本实施例中电极数量为16)，当电极1和2为激励电极时，就只测量3～4，4～5，...，(n-1)～n等电极对的电压；然后将激励电极对改为2～3，测量4～5，5～6，...，(n-1)～n，n～1等电极对的电压；以此规则，一次完整的测量将得到n×(n-3)个电压值。本装置的预测量阶段和正式测量阶段都将按照上述流程进行。如果用于动态成像，则预测量阶段和正式测量阶段都在实际的被测对象上进行。如果是静态成像，则预测量在一个参考被测对象上进行，参考被测对象具有均匀分布的电导率；正式测量将在实际的被测对象上进行。

预测量阶段的工作流程具体描述如下：

1)循环变量i赋初始值1；

2)选择第i和(i+1)号电极为激励电极(如果i等于电极数n，则选择第i和第1号电极为激励电极)；

3)测量与激励电极不相关的电极对的电压，即(i+2)～(i+3)，(i+3)～(i+4)，...，(i-2)～(i-1)，共n-3次测量。每一次测量中均调节参考信号的幅度和相位使差分信号幅度最小，记录此时的参考信号幅度和相位信息供正式测量阶段用；

4)循环变量i的值增加1；

5)判断i是否大于电极数n，也就是说是否所有的相邻电极对都已作为激励电极，如果是则预测量结束，否则跳转到第2)步，继续下一次测量。

正式测量阶段的工作流程具体描述如下：

1)循环变量i赋初始值1；

3)测量与激励电极不相关的电极对的电压，即(i+2)～(i+3)，(i+3)～(i+4)，...，(i-2)～(i-1)，共n-3次测量。每一次测量包括基础信号电压和差分信号电压。基础信号电压即是电极直接感测到的电压，差分信号电压由基础信号电压与参考信号电压相减而得，参考信号电压的幅值与相位由预测量阶段获得的信息控制；

4)循环变量i的值增加1；

5)判断i是否大于电极数n，也就是说是否所有的相邻电极对都已作为激励电极，如果是则正式测量结束，否则跳转到第2)步，继续下一次测量。

6)将基础信号电压和差分信号电压合成得到最终的电压测量值。

Claims

1、一种用于电阻抗成像的增量放大式信号测量装置，包括电极阵列(1)、开关阵列(2)、信号发生电路(3)、模数转换电路(4)、电压/电流变换电路(5)、电压幅度调节电路(6)、电压滤波放大电路(7)、差分运算电路(8)和中央控制处理电路(9)；其特征是：

(a)电极阵列(1)中具有与电压/电流变换电路(5)的激励电流输出端连接的一对电流激励电极，及输出端与电压滤波放大电路(7)连接的测量电极；由中央控制处理电路(9)控制开关阵列(2)切换电极阵列(1)中的任意一对电极与电压/电流变换电路(5)的一对激励电流输出端连接，其余电极与电压滤波放大电路(7)连接，从而依次改变电流激励电极和测量电极的位置，一次完整的测量将得到n×(n-3)个电压值，其中n为电极阵列(1)中电极的个数；

(b)信号发生电路(3)产生单频或多频的电压信号，所述信号发生电路(3)分成两个部分：激励信号发生电路(31)产生激励信号，该信号经电压/电流变换电路(5)变成激励电流信号向电流激励电极输出；参考信号发生电路(32)产生与激励信号同频的参考电压信号，该信号经电压幅度调节电路(6)调节幅度后作用于差分运算电路(8)；通过中央控制处理电路的调节使参考信号与激励信号之间维持特定的相位差；

(c)电压滤波放大电路(7)对测量电极输出的信号电压进行滤波和放大处理，包括两个部分，其一是基础信号电压放大滤波电路(71)，处理测量电极直接感测到的被测对象的表面电位信号电压，并将输出的基础信号电压分别送往差分运算放大器(8)和经模数转换电路后送往中央控制处理电路；其二是差分信号电压放大滤波电路(72)，处理增量信号电压；通过可编程增益放大器调节电压放大倍数以适应不同幅度的信号，放大倍数由中央控制处理电路(9)控制；所述基础信号电压放大滤波电路(71)将基础信号电压送入差分运算放大器(8)，由其获得基础信号电压与参考信号间的差值，然后将该差值送入差分信号电压放大滤波电路(72)进行放大和滤波，经模数转换后送往中央控制处理电路(9)；

(d)中央控制处理电路(9)利用数字相敏解调算法求取上述差值信号的幅度和相位，最后将基础信号与上述差值信号叠加，得到最终的电压测量值。

2、根据权利要求1所述的用于电阻抗成像的增量放大式信号测量装置，其特征在于：装置具有将电极和测量电路设置在一起的探头盒，电极阵列中电极的接线端直接安装在位于探头盒内的电路板上与对应的电路连接，电极的测量端外露于探头盒。