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工业总线标准电容层析成像系统设计

徐康 谭超 吴昊 董峰

徐康, 谭超, 吴昊, 等 . 工业总线标准电容层析成像系统设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(11): 2338-2344. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0049
引用本文: 徐康, 谭超, 吴昊, 等 . 工业总线标准电容层析成像系统设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(11): 2338-2344. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0049
XU Kang, TAN Chao, WU Hao, et al. Electrical capacitance tomography system design based on industrial bus standard[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(11): 2338-2344. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0049(in Chinese)
Citation: XU Kang, TAN Chao, WU Hao, et al. Electrical capacitance tomography system design based on industrial bus standard[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(11): 2338-2344. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0049(in Chinese)

工业总线标准电容层析成像系统设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0049
基金项目: 

国家自然科学基金 61227006

国家自然科学基金 61473206

国家自然科学基金 6151101270

详细信息
    作者简介:

    徐康  男, 硕士研究生。主要研究方向:电容层析成像

    谭超  男, 博士, 副教授。主要研究方向:多相流过程参数检测、过程层析成像

    吴昊  男, 博士研究生。主要研究方向:电学层析成像与多相流参数检测

    董峰  男, 博士, 教授。主要研究方向:多相流过程参数检测、过程层析成像

    通讯作者:

    谭超, E-mail: tanchao@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TP212.6;V248.1

Electrical capacitance tomography system design based on industrial bus standard

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61227006

National Natural Science Foundation of China 61473206

National Natural Science Foundation of China 6151101270

More Information
  • 摘要:

    为保证电容层析成像(ECT)系统满足航空航天领域多相流参数测试的要求,开发了一套基于CPCI工业总线标准的ECT系统。采用高性能现场可编程门阵列(FPGA)芯片作为主控芯片,实现信号激励模块、多路复用开关模块、数据处理模块、数据解调和传输模块的集成式设计,将采集信号进行预处理,实现信号的滤波、放大和相敏解调,并通过CPCI工业总线接口把解调后的电容数据传送至系统上位机,完成图像重建。实验测试结果表明:系统采用1 MHz激励信号和8电极传感器的工作模式下,采用10周期的测试信号解调时,图像采集速度可达1 785幅/s,信号的信噪比高于60 dB,成像结果具有良好的空间分辨率。

     

  • 图 1  ECT系统结构

    Figure 1.  Structure of electrical capacitance tomography system

    图 2  交流式电容检测电路

    CS1—激励端到被测电容的杂散电容;CS2—被测电容到测量端的杂散电容。

    Figure 2.  AC-based capacitance detection circuit

    图 3  基于PCI9054的CPCI通信模块结构

    Figure 3.  Structure of CPCI communication module based on PCI9054

    图 4  PCI9054在C模式下的DMA传输时序

    Figure 4.  DMA transmission timing sequence of PCI9054 in C mode

    图 5  FPGA本地端通信程序结构

    Figure 5.  FPGA local communication program structure

    图 6  ECT系统功能框架图

    Figure 6.  Frame diagram of ECT system functions

    图 7  激励模块结构图

    Figure 7.  Excitation module structure diagram

    图 8  T型开关模型

    Figure 8.  T-switch model

    图 9  基于6U板卡的ECT激励与数据采集系统

    Figure 9.  ECT excitation and data acquisition system on a 6U board card

    图 10  8电极管道传感器

    Figure 10.  8-electrode pipeline sensor

    图 11  基于CPCI总线的ECT系统

    Figure 11.  ECT system based on CPCI bus

    图 12  尼龙棒成像结果

    Figure 12.  Imaging results of nylon bar

    图 13  层流的成像结果

    Figure 13.  Imaging results of laminar flow

    图 14  环流的成像结果

    Figure 14.  Imaging results of annular flow

    图 15  单周期电容测量值

    Figure 15.  Single-cycle measured values of capacitance

    图 16  各通道信噪比

    Figure 16.  SNR of each channel

    表  1  数据采集时间

    Table  1.   Data acquisition time

    相关单元 耗费时间/μs
    信号激励模块滤波器 0.024
    C/V转换电路 0.376
    采集模块滤波器 0.024
    采集模块PGA 0.648
    AD采集 8
    数字解调 0
    电极切换 2
    CPCI总线传输 0
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-02-03
  • 录用日期:  2017-03-17
  • 刊出日期:  2017-11-20

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