CN109900751B - 一种便携式电容层析成像测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式电容层析成像测量装置，其特征在于主要包括五个部分：电源模块(1)、时钟与控制模块(2)、信号发生模块(3)、电容测量模块(4)和数据采集与传输模块(5)；电路的各个模块统一连接到标准总线接口，通过工业标准总线进行供电和通讯；每个模块包括对应的模拟电路和数字逻辑电路；电源模块(1)由锂电池和电源管理电路组成；时钟与控制模块(2)由晶振电路、控制时钟和开关电路组成；信号发生模块(3)由查找表寄存器和数‑模转换电路组成；电容测量模块(4)由电流‑电压转换电路和数字解调器组成；数据采集与传输模块(5)由片上存储电路和通用串行总线通讯电路组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式电容层析成像测量装置，属于分布参数测量领域。
背景技术
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)技术是一种用于测量被测场域内介电常数分布的可视化技术手段，常用于多相流动过程监测。它通过测量被测场域边界的电容/电阻抗值来反演出被测场域内的介电常数/电导率分布，进而获得不同介电常数对应的物质分布情况。与传统的参数检测技术相比，ECT技术具有以下优点：①非侵入，不破坏被测物场分布；②采用低压交流激励，无辐射、安全；③无需机械扫描，响应快、实时性高；④结构简单，成本低；⑤可反演得到被测对象内部的二维或三维可视化图像。因此，ECT技术在石油、化工、电力、冶金及航空航天等领域中的过程监测及特征参数提取方面具有广泛的应用前景。
电容的精确测量是ECT技术的核心。最常用的微小电容测量方法主要有两种，分别为充放电式(charge-discharge)和交流式(AC-based)。其中，充放电式电容测量电路以其结构简单、成本低廉等优点而最早被ECT系统所采用，但是其固有的零点漂移和电子开关注入电荷等问题制约了其对微小电容检测精度的进一步提高。自从1994年W.Q.Yang发表其关于高频率、高精度的微小电容检测电路的相关研究内容以来，以交流信号激励和检测为基础的电容测量电路开始被广泛引入到ECT系统设计中。最初，受到加工工艺和微电子发展水平的限制，基于交流法的微小电容检测电路多以模拟元件为基础搭建，其结构相对复杂，体积庞大，且受到模拟低通滤波器响应时间的限制，图像数据采集速度往往只有数十帧/秒。近年来，随着高性能集成芯片的推广，出现了结合直接数字式频率合成器(Direct DigitalSynthesizer)、数字信号处理器(Digital Signal Processor)等可编程逻辑芯片实现的ECT测量，减小了电路的体积。然而，现有电容层析成像测量系统受制于功耗因素，需要外接线性电源。由于线性电源体积、重量较大，ECT系统尚不具备便携性。
随着电容层析成像技术的持续发展和成熟，其应用范围越来越广，如高炉物料可视化监测、温度压力升高时尼龙聚合过程监测、火焰燃烧参数可视化监测、火箭发动机固体燃料燃烧过程监测等，应用环境也包含了高速、高温、高压等恶劣环境。受到工作环境的限制，应发展无人操作的电容层析成像测量装置，且需要具备便携性、低功耗，使系统可以搭载于高速、高温、高压等恶劣环境下的测试平台上自动测量、采集电容变化数据。
根据上述说明，ECT电容测量装置仍需在便携性和低功耗上进一步提高，为恶劣环境下无人操作的测试平台提供更加可靠的原始电容测量数据。
发明内容
本发明的技术解决问题：针对传统的ECT电容测量电路的不足，提出了一种基于锂电池供电、标准总线通讯、模块化的便携式电容层析成像测量装置，提高了电容层析成像测量装置的便携性，以及在恶劣环境下、无人操作环境下独立工作的能力。
本发明的技术解决方案：一种便携式电容层析成像测量装置，其特征在于主要包括五个部分：电源模块(1)、时钟与控制模块(2)、信号发生模块(3)、电容测量模块(4)和数据采集与传输模块(5)；电路的各个模块统一连接到标准总线接口，通过工业标准总线进行供电和通讯；每个模块包括对应的模拟电路和数字逻辑电路；电源模块(1)由锂电池和电源管理电路组成；时钟与控制模块(2)由晶振电路、控制时钟和开关电路组成；信号发生模块(3)由查找表寄存器和数-模转换电路组成；电容测量模块(4)由电流-电压转换电路和数字解调器组成；数据采集与传输模块(5)由片上存储电路和通用串行总线通讯电路组成。
本发明的基本原理：电源模块(1)中的锂电池作为所有模块的电源，经过电源管理电路稳压、分压之后通过标准总线向各个模块供电；时钟与控制模块(2)中的晶振信号经过滤波电路输入到复杂可编程逻辑器件，分频后作为各个模块的控制时钟，开关电路在控制时钟的触发下周期性地切换信号发生模块接通的激励电极和电容测量模块接通的测量电极；信号发生模块(3)在控制时钟的触发下按照时序将查找表寄存器中的数字正弦信号转换为模拟正弦信号，通过开关电路连接到电容阵列的各个电极；电容测量模块(4)通过开关电路连接到电容阵列的各个电极，将激励信号接通待测电容产生的电流转换为电压信号，数字解调器通过周期性的电压信号解算被测电容值；在复杂可编程逻辑器件(CPLD)芯片上实现数字解调器，利用整形解调方法计算被测正弦信号的幅值；数据采集与传输模块(5)中的片上存储电路在控制时钟的触发下实时存储电容测量数据，测量完毕后通过通用串行总线通讯电路将片上存储数据上传到上位机。
本发明与现有技术相比的优点：
①无需外部电源供电，大大提高了电容层析成像测量装置的便携性；
②低功耗，所有计算、控制功能由复杂可编程逻辑器件(CPLD)芯片实现；
③模块化设计，各个模块通过标准工业总线通讯，提高了电路整体的稳定性，便于功能扩展。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为时钟与控制模块(2)、信号发生模块(3)、电容测量模块(4)和数据采集与传输模块(5)的触发控制时序图。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要包括五个部分：电源模块(1)、时钟与控制模块(2)、信号发生模块(3)、电容测量模块(4)和数据采集与传输模块(5)；电路的各个模块统一连接到标准总线接口，通过工业标准总线进行供电和通讯；每个模块包括对应的模拟电路和数字逻辑电路；电源模块(1)由锂电池和电源管理电路组成；时钟与控制模块(2)由晶振电路、控制时钟和开关电路组成；信号发生模块(3)由查找表寄存器和数-模转换电路组成；电容测量模块(4)由电流-电压转换电路和数字解调器组成；数据采集与传输模块(5)由片上存储电路和通用串行总线通讯电路组成。具体实施方式如下：
1)选用5节锂电池并联作为电源，利用稳压芯片输出3.3V、5V、12V等电压，接入CPCI总线的电压引脚；
2)选用40MHz无源晶振和复杂可编程逻辑器件(CPLD)芯片，将40MHz的时钟信号分频为100kHz～1MHz的控制信号，如图2中的时钟信号和控制信号所示；
3)在CPLD芯片的寄存器中编辑40～400个时序值为一个周期的正弦信号查找表，在40MHz时钟信号的触发下输入数字-模拟转换电路，形成100kHz～1MHz的激励信号，如图2中的查找表时序值和激励信号所示；
4)当控制信号为高电平时，进入电容测量周期，当控制信号为低电平时，进入开关切换周期；
5)每个开关切换周期，开关改变关断状态，切换激励信号或测量电路接通的电极，依次遍历测量电容阵列；
6)电流-电压转换电路将测量电极上的电流转化为电压信号，模拟-数字转换电路将模拟电压信号转换为数字电压信号，输入数字解调器；
7)在复杂可编程逻辑器件(CPLD)芯片上实现对测量信号的整形解调，原理如下：
①假设模拟-数字转换电路在40MHz时钟信号的触发下采集到的离散信号为
其中，A为模拟-数字转换电路对正弦电压信号的输出幅值，Ar为接地参考电压的输出值，n是采样点序号，f是信号频率，fs为采样频率，
为信号相位。
②将离散信号V(n)转化为相对接地参考电压的偏差：
③当控制信号为高电平，进入电容测量周期时，在时钟信号的触发下对d(n)累加一个信号周期得到：
④求得待测电压信号的幅值，即固定系数与待测电容值之积：
8)当检测到控制信号的下降沿，将解算完毕的电容值写入片上存储芯片；
9)电容阵列测量完毕后，对锂电池充电，将本发明电路通过通用串行总线通讯接口连接上位机，利用上位机的通用串行总线供电，读取存储芯片中的数据。
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。
Claims (6)
1.一种便携式电容层析成像测量装置，其特征在于主要包括五个部分：电源模块(1)、时钟与控制模块(2)、信号发生模块(3)、电容测量模块(4)和数据采集与传输模块(5)；电路的各个模块统一连接到标准总线接口，通过工业标准总线进行供电和通讯；每个模块包括对应的模拟电路和数字逻辑电路；电源模块(1)由锂电池和电源管理电路组成；时钟与控制模块(2)由晶振电路、控制时钟和开关电路组成；信号发生模块(3)由查找表寄存器和数-模转换电路组成；电容测量模块(4)由电流-电压转换电路和数字解调器组成；数据采集与传输模块(5)由片上存储电路和通用串行总线通讯电路组成；
时钟与控制模块(2)中的晶振信号经过滤波电路输入到复杂可编程逻辑器件，分频后作为各个模块的控制时钟，开关电路在控制时钟的触发下周期性地切换信号发生模块接通的激励电极和电容测量模块接通的测量电极。
2.根据权利要求1所述的一种便携式电容层析成像测量装置，其特征在于：电源模块(1)中的锂电池作为所有模块的电源，经过电源管理电路稳压、分压之后通过标准总线向各个模块供电。
3.根据权利要求1所述的一种便携式电容层析成像测量装置，其特征在于：信号发生模块(3)在控制时钟的触发下按照时序将查找表寄存器中的数字正弦信号转换为模拟正弦信号，通过开关电路连接到电容阵列的各个电极。
4.根据权利要求1所述的一种便携式电容层析成像测量装置，其特征在于：电容测量模块(4)通过开关电路连接到电容阵列的各个电极，将激励信号接通待测电容产生的电流转换为电压信号，数字解调器通过周期性的电压信号解算被测电容值。
5.根据权利要求1所述的一种便携式电容层析成像测量装置，其特征在于：在复杂可编程逻辑器件(CPLD)芯片上实现数字解调器，利用整形解调方法计算被测正弦信号的幅值。
6.根据权利要求1所述的一种便携式电容层析成像测量装置，其特征在于：数据采集与传输模块(5)中的片上存储电路在控制时钟的触发下实时存储电容测量数据，测量完毕后通过通用串行总线通讯电路将片上存储数据上传到上位机。
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