高速电容层析成像系统的硬件关键技术研究

如何提高电容层析成像系统数据采集率,使其能够满足高速流动过程成像的需求,一直都是学者们的研究热点。本文就ECT系统的微小电容测量电路、数据采集控制模块以及通信模块,分别讨论影响其实时性能的关键技术及目前的研究成果。论述了两种适用ECT系统的高速电容测量电路,重点分析了提高交流法微小电容测量电路的实时性能的方法,给出其高速工作模式及参数选择方法;同时总结了高速数据采集控制模块及通讯模块的关键设计技术,即控制器、测量控制方案及通讯方式的设计和选择。

嵌入式电容层析成像系统的成像加速方法研究

为了提高嵌入式系统设计中电容层析成像(ECT)的图像重构速度,研究了一种针对进阶精简指令集机器加上现场可编程门阵列(ARM+FPGA)硬件架构的图像重构算法加速技术。针对广泛应用且鲁棒的Landweber迭代算法(ILA),首先分析算法结构,然后基于FPGA的流水线特点,改进ILA涉及的循环结构,从而达到加速的效果。同时,针对ARM+FPGA架构的特点,讨论了ARM核与FPGA核各自的任务分配方式,进一步优化了算法速度。为了验证算法的有效性,分别在使用MATLAB编程和使用提出的加速方法搭建的ZYNQ平台进行了图像重构实验,从图像重构耗时、图像相对误差和图像相关系数3个指标论证提出方法的有效性。实验结果显示,使用搭建的ZYNQ平台进行Landweber算法成像时,每个图像的运行时间比使用MATLAB编程的运行时间减少了30%~40%。该研究在保持重构精度的同时有效提升了迭代算法的速度,对于ECT系统的硬件加速具有一定适用性。

电容层析成像系统阵列电极的优化设计

介绍了电容层析成像系统的基本原理和电容敏感阵列结构及其数学模型.采用有限元法,分析了阵列电极结构参数对测量的影响,并进行了优化设计,获得了一组优化结构参数.结果表明,设计的电容阵列敏感电极具有较高的空间分辨率,分辨率优于10%.

电容层析成像系统仿真研究

本文采用自开发的有限元仿真软件包分析12电极电容层析成像系统，实现了极板间电容值计算、灵敏场确定等功能，证实了径向电极具有使传感器敏感场分布趋向均匀的作用；同时采用所获得的灵敏场分布重建了管截面图像，所得结果和实际图像基本一致，从而证明仿真结果的正确性．

电容层析成像系统重建图像质量评价方法探讨

提出了使用多参数即图像形心点空间位置误差和面积误差的方法,在仿真环境下对电容层析成像系统的重建图像质量进行评价,给出了图像形心点空间位置误差的计算模型.仿真结果表明,该法比目前常用的单参数评价重建的图像质量更科学合理.

电容层析成像系统测量数据的归一化处理

电容层析系统重建图像前通常要对电容测量值作归一化处理。目前通用的是基于并联模型的归一化处理方法。本文采用串联模型对测量数据进行了归一化处理 ,仿真结果表明 ,采用基于串联模型的归一化处理方法 ,可获得更好的重建图像质量。

电容层析成像流型可视化系统研究

介绍了电容层析成像系统的工作原理 ,研制了一套具有高速数据采样基于交流法电容层析成像技术的两相流流型可视化系统。为解决电容层析成像技术在工业实用化过程中存在的一些问题 ,例如 :系统的小型化设计 ,数据采集和传输的速度有待于提高 ,以及如何实现数据的远传等 ,提出模块化的系统结构 ,实现了电容层析成像系统的一体化设计。在有限元仿真的基础上 ,采用加权反投影图像重建算法以满足实时成像的速度要求。该电容层析成像流型可视化系统的成像速度在 2 0幅 / s以上 ,在数据通讯距离为 5 0 m的情况下 ,这套电容层析成像系统如实再现了试验回路中的各种流型和过渡流态。试验结果表明模块化设计是成功的。

电容层析成像系统中电容传感器参数优化设计

电容层析成像系统中,图像重建的质量主要依赖于电容敏感场分布的均匀性,这一性质又由传感器的几何和材料参数决定,因此传感器的设计尤为重要.根据敏感场颁上的均匀性,灵敏程度和电容测量技术,确定了传感器的优化参数;在多因素轮换的基础上,采用正交设计法进行电容传感器参数的计算机辅助设计,从而快速地获得一组最优参数.在实际应用中,概据此优化参数制造的电容传感器获得了较为理想的重建图像.

电容层析成像系统成像质量的实验分析

利用电容层析成像实验装置对气 /固两相流成像质量进行了实验研究。实验结果表明 ,在图像重建算法一定的情况下 ,成像质量均受成像传感器极板长度、成像区域像素个数和成像对象等因素的影响。研究能适应检测场非线性特性的图像重建新算法将是提高图像重建质量的方向。

一种电容层析成像系统结构的优化方法

介绍了电容层析成像的基本原理 ,针对现有电容层析成像系统存在的问题 ,提出了一种总线型、模块化的微弱电容测量电路新结构 ,对电容层析成像系统的结构进行了优化 ,以使该技术更适应工业现场应用。

基于Matlab的电容层析成像系统软场特性仿真研究

电容层析成像是监测两相流动的一种新技术。它可重建两相流在其流经管道横截面上的相分布图像 ,而重建图像的先决条件是需获得成像系统的灵敏场分布。电容层析成像 (ECT)系统阵列传感器的敏感场受被测介质的影响 ,这一“软场”特性是ECT应用于两相流参数测量中的一个主要问题。本文介绍了基于有限元模型的仿真实验 ,通过典型介电常数分布下灵敏度分布与空管下灵敏度分布的差值计算与分析 ,研究了影响灵敏场分布的因素及其规律。

电容层析成像系统中电容敏感场的建模与仿真

对电容传感器进行了数学描述,建立了电容敏感场分布的数学模型及其有限元模型,编制出电容敏感场分布有限元仿真软件,得到了电容敏感场分布结果并应用于电容层析成像系统样机之中.采用电荷法计算极板上电荷和极板间电容,具有运算简单速度快的优点,能显著提高电容层析成像系统的实时性.实验证明:本文建立的电容敏感场分布符合实际,在实际应用中获得了良好效果.

电容层析成像系统三维图像重建及其在两相流体积测量中的应用研究

探讨了电容层析成像系统中利用二维断层图像进行三维表面重建 ,并由三维图像求取两相流中离散相体积和观察其空间位置的方法。首先对二维断层图像序列进行轮廓抽取和细线化 ,然后进行轮廓匹配和轮廓插值并进行表面重建 ;最后利用三维图像求取两相流中离散相体积。初步的仿真结果表明 ,使用的三维重建算法简单 ,重建精度高 ,成像速率快 ,可以方便地观察离散相空间位置和计算出离散相体积。

基于PIC单片机控制的电容层析成像系统

电容层析成像技术以其结构简单、响应速度快、非侵入、无辐射等优点成为检测科学领域里的研究热点之一。介绍了一种基于PIC16C74单片机控制的8极板电容层析成像系统,描述了它的硬件检测电路组成、工作原理并给出了图像重建计算机和单片机工作的软件设计流程。实验证明:模块化结构设计使得系统具有良好的性能,且充分考虑了信号远传、系统成本、灵活性、速度等问题,为ECT技术的工业应用奠定了基础。

电容层析成像系统传感器设计新方法

在电容层析成像系统中,为了提高重建图像的精度,常用的方法是提高成像传感器的极板数目,以获得较多的图像重建所需的独立电容测量值数目,但这种方法是以牺牲检测场的灵敏度为代价的。该文提出了一种在有限极板数条件下通过改变极板的组合方式成倍提高成像系统的独立电容测量值数目的方法。仿真结果表明该方法在不降低检测场灵敏度的前提下提高了电容测量值数目,从而提高了图像重建质量。

电容层析成像系统的有限元分析

介绍了ECT系统的组成、工作原理及数学模型.针对有限元仿真分析过程中研究较多的三个重要问题:网格剖分、灵敏度计算及传感器优化设计进行分析,阐述其现有方法及成果.

电容层析成像系统三维数据场可视化研究

以油水两相流系统为研究对象,在电容层析成像系统获得的两相流截面相分布数据基础上,对三雏数据场可视化最常用的MarchingCubes算法加以改进,将两相流系统的流动、变化过程以可视化形式显示出来,为流动测量、控制提供可视化信息,使工业现场的“黑箱”系统变成透明系统。经仿真实验,可视化效果能形象反映油水两相流系统内部动态变化情况。

基于MATLAB的电容层析成像系统灵敏场的仿真研究

电容层析成像是监测两相流动的一种新技术。它可重建两相流在其流经管道横截面上的相分布图像,而重建图像的先决条件是需获得成像系统的灵敏场分布。电容层析成像(ECT)系统阵列传感器的敏感场受被测介质的影响,这一"软场"特性是ECT应用于两相流参数测量中的一个主要问题。本文介绍了基于MATLAB的有限元模型的仿真实验,通过数据分析研究了灵敏场分布的规律。

高压激励电容层析成像系统传感器阵列设计

为了解决高压交流激励电容层析成像系统微小电容检测的灵敏度和分辨率更高给电容传感器阵列设计带来的新问题,分析了极板长度和极板张角对几个重要的传感器阵列评价指数的影响,利用仿真方法评估了不同极板参数条件下中心型、层流型和环流型的重建图像的空间图像误差,并以此为依据确定了一组极板参数.最后给出了根据设计参数制作的8极板传感器阵列模型及高压激励电容层析成像系统的图像重建实验结果.实验结果证明:所设计的传感器阵列达到了设计的预期目标,所确定的参数方法是可行的.

电容层析成像系统上位机软件设计

电容层析系统(ECT)通常可分为两部分:单片机控制的数据采集系统和装载有图像重建、图像分析以及ECT系统控制软件的上位计算机.介绍了16极板ECT系统上位机软件的开发设计.上位机通过串口由数据采集系统获得图像重建所需要的投影数据.采用面向对象的可视化开发工具Visual C++作为上位机软件编程语言,实现了与数据采集系统的通信、人机交互、在线重建图像和离线图像分析等功能.说明了软件开发过程中一些关键问题及解决方法,给出ECT系统在线重建图像和历史回放的运行示例.