论文总字数：21756字

摘 要

电容层析成像技术（ECT）是20世纪80年代于英国的曼彻斯特大学提出的一种新的计算机层析成像技术并且在后期逐渐的发展起来的。如今已经发展成为了一门重要的以两相流或者多相流为主要对象的过程参数在线实时检测技术。ECT技术是基于电容敏感原理的过程层析成像（PT）技术，它具有非辐射、非侵入、响应速度快、低成本和安全性能好等优点，该技术是迄今为止过程层析成像发展的主流和研究热点。

本文主要是由STM32F407自带的DAC产生200kHz的正弦信号，放大并激励被测电容，检测电路将电容转化为幅值与被测电容大小成比例的正弦信号，就是建立被测电容与正弦信号幅值之间的线性关系。由STM32F407自带的ADC高速采集检测电路输出的正弦信号，对检测电路进行数字解调，提取被采集正弦信号的幅值，最后获取被测电容大小。

关键词：电容层析成像 数据采集系统 C/V转换电路

Ac digital demodulation based on STM32F407 micro capacitance detection system design

Abstract

Electrical capacitance tomography (ECT) is a new kind of computer tomography in the 1980s at the University of Manchester and raise in the latter gradually developed .Now has developed into an important of the two phase flow and multiphase flow as the main object of process parameters on-line real-time detection technology.ECT technology is based on the principle of capacitance sensitive process tomography (PT) technology, which has a non-radiation, non-invasive,fast response, low cost and good safety performance advantages, the technology is by far the mainstream development process tomography and research focus.

This article is mainly produced by the DAC STM32F407 at 200 KHZ sine signal, measured capacitance, enlarged to motivate by converting capacitance detection circuit detection circuit amplitude with the measured capacitance is proportional to the size of the sinusoidal signal. Measured capacitance and establish a linear relationship between the sine signal amplitude. High speed acquisition detection circuit by STM32F407 built-in ADC output sine signal, the detection circuit of digital demodulation, extraction were collected sine signal amplitude, in order to get measured capacitance size.

Key words: capacitance tomography；data acquisition system；C/V converting circuit

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1课题背景 1

1.2 电容层析成像现状以及发展 3

第二章 电容层析成像 4

2.1原理 4

2.1.1电容传感器 4

2.1.2数据采集 5

2.1.3图像重建 6

2.2基于STM32F407的交流数字解调微电容检测系统设计 7

第三章 信号发生器及数据采集硬件设计 8

3.1设计方案 8

3.2 STM32F407芯片介绍 8

3.3信号发生器 10

3.3.1电源的设计 10

3.3.2 DAC产生正弦波 11

3.3.3低通滤波 12

3.3 数据采集 14

3.3.1 ADC的设计 14

3.3.2 C/V转换电路 15

第四章 软件设计 18

4.1应用软件 18

4.2信号发生器的软件设计程序框图 19

4.2.1 DAC产生正弦波 19

4.2.2 数据采集程序 21

结 语 23

参考文献 24

致 谢 25

附录1：电路图 26

附录2 :程序 28

第一章 绪 论

1.1课题背景

电容层析成像技术（ECT）是20世纪80年代英国的曼彻斯特大学提出的一种新的计算机层析成像技术并在20世纪80年代中后期逐渐发展起来的，是以两相流或者多相流为主要对象的过程参数在线实时检测技术。电容层析成像技术是过程层析成像技术发展的最早的，其是随着计算机技术和检测技术的进步发展起来的新一代过程参数检测技术^[1]。由于它廉价的系统成本、适用范围广、系统结构简单、非侵入式、安全性能好等特点，是今后流动层析成像技术发展的重要方向和研究重点 ^[2]，电容层析成像技术毫无疑问将是流动层析成像技术发展的一个潮流，并且是目前而言最理想的研究方向。

ECT系统主要由电容传感器与信号处理系统和图像重组计算机三大部分组成^[3]。在管道的外壁有着均匀对称的铜质电极板，由多相流各分相介质拥有不相同的介电常数，在管道内各项成分的浓度以及分布变化时，也会引起多相流混合体的一些介电常数的一各种不同的变化，从而使电极板间的测量电容值也在这时候发生了变化^[4]。数据采集系统测量任意一对极板间的电容值，获得了不同观测角度之下的投影的数据并同时送入图像重构计算机，图1-1所示。这些测量值反映了管道内介电常数的各种分布情况，采用相应的图像重组算法，可以建立被测物场的介质分布。

图1-1 ECT系统

在ECT系统中的电容式传感器系统之中，电容传感器主要由4部分组成：检测电极、绝缘管道、屏蔽电极和接地屏蔽罩。利用电容的边缘效应，传感器对具有介电常数的介质会产生相应的电容值^[5]。每个检测电极之间的组合可提供多个电容测量值，并且一次作为重建图像的投影数据。同时由于传感器的采集信号非常的微弱，并且容易受到干扰因此为了保留已有传感器的结构，为了提高图像质量，有必要对传感器的结构参数进行优化。在ECT系统中电容测量和数据采集系统所完成的主要工作是高速、稳定、精确的测量不同阵列电极对间的微小电容及其变化，并将采集到的数据送到计算机中。

近年来在图像重建方面的研究取得了非常大的进展,Tikhonov正则法、Landweber迭代法、同步迭代法、神经网络法、共轭梯度法及通用迭代法的图像重建质量较LBP法有了显著提高^[6]。目前在ECT系统中较为常用的两种图像重建算法是线性反投影（LBP）算法和迭代算法。LBP算法重建速度快，适合在线实时成像，但是重组的图像精度不高；迭代算法是属于多不算法，可以反复修正成像的结果得到较高的精度。由于ECT技术在线实时成像的精度较低，还不能满足工业上的要求，限制了ECT技术的推广^[7]。为使ECT应于在线测量，有效的提高其图像重组精度与速度是关键。同时比较了采用LBP(线性逆反推)算法、Landweber迭代算法和MLRR(多元线性和正则化算法)等三种算法的成像结果,结果表明Landweber迭代算法可以较好的反映管道内的情况，MLRR算法由于所选的系数a的不同，其成像效果有所不同^[8]，该方法产生的图像噪音也大,而LBP算法可以定性的快速反映管道情况。

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